- •Введение
- •1.Физические основы строения материалов
- •1.1. Квантово-механическая теория строения атома
- •1.2. Волновое уравнение электронов
- •1.3. Электронная конфигурация атомов
- •2. Строение твердого тела
- •2.1. Химическая связь в молекулах
- •2.2. Агрегатные состояния вещества
- •2.3. Строение твердых тел. Кристаллическая решетка
- •2.4. Дефекты кристаллических решеток твердых тел
- •2.5. Химические связи в кристаллах
- •2.6. Электронные состояния твердых тел
- •2.7. Металлы, диэлектрики, полупроводники с точки зрения зонной теории
- •3. Электропроводность полупроводников
- •3.1. Собственные полупроводники
- •3.2. Статистика свободных носителей заряда
- •3.3. Эффективная масса электрона
- •3.4. Концентрация свободных носителей и положение уровня Ферми в собственном полупроводнике
- •3.5. Примесные полупроводники
- •3.5.1. Донорные полупроводники
- •3.5.2. Акцепторные полупроводники
- •3.5.3. Оценка энергии активации и размеров примесных атомов
- •3.6. Рекомбинация носителей заряда
- •3.7. Концентрация свободных носителей заряда в примесном полупроводнике
- •3.7.1. Донорный полупроводник
- •3.7.2. Акцепторный полупроводник
- •3.7.3. Уравнение электронейтральности
- •3.7.4. Однородный вырожденный полупроводник
- •3.8. Связь между концентрациями носителей заряда в примесном и собственном полупроводниках (закон действующих масс)
- •3.9. Электрический ток в полупроводниках
- •3.10. Физические основы анализа полупроводниковых приборов
- •3.10.1. Общий порядок расчета
- •3.10.2. Неравновесные носители заряда
- •3.10.3. Уравнения непрерывности
- •4. Контактные явления в полупроводниках
- •4.1. Неоднородный полупроводник одного типа электропроводности
- •4.2. Электронно-дырочный переход в условиях равновесия
- •4.3. Энергетическая диаграмма р-n перехода в условиях равновесия
- •4.4. Расчет концентраций носителей заряда в электронно-дырочном переходе
- •4.5. Электронно-дырочный переход под воздействием внешнего напряжения
- •4.6. Толщина р-n перехода
- •4.7. Методика определения параметров р-п перехода
- •4.7.1. Основные параметры перехода
- •4.7.2. Граничные условия в области пространственного заряда
- •4.7.3. Анализ идеализированного диода
- •4.8. Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода
- •4.9. Генерация и рекомбинация в электронно-дырочных переходах
- •4.10. Емкости p-n перехода
- •4.10.1. Барьерная емкость перехода
- •4.10.2. Диффузионная емкость перехода
- •4.11. Контакт между полупроводниками с одним типом электропроводности
- •4.12. Работа выхода
- •4.13. Контакт металл – полупроводник
- •4.14. Влияние состояния поверхности на характеристики электронно-дырочного перехода
- •4.14.1. Теория приповерхностной области пространственного заряда
- •4.14.2. Поверхностная проводимость
- •4.14.3. Расчет поверхностных токов
- •4.15. Гетеропереходы
- •5. Пробой электронно-дырочного перехода
- •5.1. Лавинный пробой
- •5.2. Туннельный пробой
- •5.3. Тепловой пробой
- •6. Кинетические и термоэлектрические явления в полупроводниках
- •6.1. Эффект Холла
- •6.2. Эффект Эттингсгаузена
- •6.3. Эффект Зеебека
- •6.4. Эффект Пельтье
- •6.5. Эффект Томсона
- •7.Фотопроводимость и поглощение света полупроводниками
- •7.1. Природа фотопроводимости
- •7.2. Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения
- •7.3. Люминесценция полупроводников
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •1.Физические основы строения материалов 4
- •2. Строение твердого тела 16
- •3. Электропроводность полупроводников 31
- •4. Контактные явления в полупроводниках 56
- •5. Пробой электронно-дырочного перехода 108
- •6. Кинетические и термоэлектрические явления в полупроводниках 116
- •7.Фотопроводимость и поглощение света 123
- •Владимир Михайлович Бардаков Алефтина Алексеевна Лессинг Основы физики полупроводников
Введение
Начало развития полупроводниковой электроники связано с развитием радиотехники и систем передачи информации. Использование сложных электрических схем, содержащих большое количество электронных приборов, выдвинуло требование их миниатюризации, что привело к замене ламповых приборов полупроводниковыми. Кроме того, повсеместное распространение коаксиальных и волоконно-оптических линий связи, работающих на высоких частотах, вызвало необходимость создания высокочастотных усилителей, преобразователей и других устройств, обеспечивающих передачу информации на расстояние. Эту задачу позволило решить применение полупроводников, работающих в высокочастотной области.
Неуклонное развитие физической электроники на определенном этапе привело к возникновению микроэлектроники. Так принято называть область науки и техники, занимающуюся физическими и техническими проблемами создания интегральных микросхем. Таким образом, задачей микроэлектроники является создание различных элементов с требуемыми свойствами, то есть активных и пассивных элементов, соединительных проводников, изолирующих областей, которые располагаются на одной подложке, выполненной из кремния или другого полупроводникового материала.
В последнее время во всем мире очень большое внимание уделяется вопросам нанотехнологии, наноструктур, нанофизики, нанохимиии. Все работы, которые ведутся в области наноструктур, связаны, прежде всего, с тем, что переход к очень малым размерам способствует возникновению целого ряда совершенно новых физических явлений, которые, в свою очередь, влекут за собой очень важные физические и технологические изменения. В физике полупроводников этот процесс начался раньше, чем в других областях.
Развитие полупроводниковой электроники на основе кремниевых интегральных схем с физической точки зрения началось в конце 40-х – начале 50-х гг. Все главные физические явления были изучены и исследованы уже тогда. Тем не менее, технология и техника литографии подошла сегодня к главному топологическому размеру интегральных схем, исчисляемому 45 – 60 нанометрами.
Важным направлением в развитии современной полупроводниковой электроники и физики является направление, связанное с использованием полупроводниковых гетероструктур, которые сегодня очень активно используются при решении проблем кремниевых интегральных микросхем.
В связи с развитием электроники и переходу к микроэлектронике и нанотехнологиям специалисту, работающему в области разработки, проектирования и использования электронных приборов необходимо знать процессы, происходящие на микроскопическом уровне.
1.Физические основы строения материалов
Изучать физические основы строения материалов удобно при помощи физических моделей. Термин «физическая модель» применяется для определения совокупности идей и представлений, облаченных в математическую форму. Описание физических структур с помощью моделей позволяет логически объяснить их свойства, а в некоторых случаях позволяет открыть новые, неизвестные ранее факты.
Теоретической основой современного учения о строении вещества является квантовая механика. Прежде чем начать изучение строения полупроводников, остановимся коротко на этой теории, чтобы уяснить, как возникла вся современная физика, которая является основой современной твердотельной электроники.