Физика полупроводниковых приборов

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Ректор Белгосуниверситета
________________ В.И. Стражев
«____» ___________ 200_ г.
Регистрационный № ____
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебная программа для специальности
G-31-03-01-04
Математическая электроника
МИНСК
2006
Составитель:
В. В. Петров – профессор кафедры физики полупроводников и наноэлектроники Белорусского государственного университета, доктор физико–математических наук, старший
научный сотрудник.
Рецензент:
В. Г. Шепелевич – профессор кафедры физики твердого тела Белорусского государственного университета, доктор физико–математических наук, профессор.
Рекомендована
к утверждению в качестве базовой:
Кафедрой уравнений математической физики Белорусского государственного университета (протокол № 7 от «14 » июня 2006 г.);
Методическим советом механико-математического факультета Белорусского государственного университета (протокол № от « »
2006 г.).
Ответственный за редакцию: В. В. Петров
Ответственный за выпуск: В. В. Петров
I. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программа курса "Физические основы электроники " разработана для специализации: -- Математическая электроника.
Цель данного курса определяется необходимостью формирования у студентов современных представлений о твердотельной электронике, включающих наиболее актуальные аспекты физики и техники основных полупроводниковых материалов и структур, развития
полученных при обучении знаний и навыков для последующего обучения и проведения
научно-исследовательской работы по соответствующей тематике.
Студентам необходимо сформулировать и разъяснить основные проблемы физики
полупроводников и полупроводниковых структур, физические аспекты протекающих в них
явлений и процессов и на адекватном уровне их интерпретировать. В настоящем курсе излагаются основные, фундаментальные вопросы физики и техники полупроводников и полупроводниковых структур с акцентом на их физическую сущность, понимание которой является необходимым условием успешной профессиональной деятельности будущего специалиста, который будет работать в области математической электроники.
В разделе «Основы теории полупроводников» рассматриваются фундаментальные
свойства кристаллов в контексте реализации в них конкретных химических связей; анализируются явления электропереноса в металлах и полупроводниках; с акцентом на полупроводники излагаются основные сведения о зонной энергетической модели твердых тел; раскрывается физическая сущность принципа запрета Паули и излагаются основы статистики
носителей заряда Максвелла и Ферми-Дирака; определяются понятия собственного, примесного и компенсированного полупроводников; рассматривается круг основных явлений, которые характерны для этих материалов; в теоретическом и прикладном аспектах анализируются явления генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводниках, а также процессы диффузии легирующих примесей и носителей заряда в материалах и структурах.
В разделе «Основы физики полупроводниковых приборов» дан краткий анализ основных явлений, протекающих на границе кристалла; подробно рассматриваются вопросы, связанные с работой выхода из металлов, полупроводников и диэлектриков. Рассматривается
роль поверхностных состояний и их влияние на зонную структуру и физические свойства
полупроводников. При рассмотрении эффекта проникновения внешнего поля в материалы
интерпретируется уравнение Пуассона, определяются параметры энергетических барьеров и
влияние на них уровня легирования полупроводников. Отдельно выделены вопросы, связанные с физическими основами технологии изготовления электронно-дырочных переходов
на базе полупроводниковых материалов. Освещены основные вопросы, касающиеся физики
р-п переходов как в обратно,- так и в прямосмещенном режимах. Проанализированы в теоретическом и прикладном аспектах вопросы ударной ионизации и пробоя р-п структур. Детально рассмотрены вольт-амперные характеристики как расчетные, так и для реальных диодов, изготовленных из основных полупроводниковых материалов. В заключение приведены
основные сведения и принципе работы и характеристиках основных полупроводниковых
диодов.
Отдельно в курсе рассмотрена работа биполярного и полевого транзисторов. С физической точки зрения интерпретированы их основные параметры. Проанализированы принципы работы и параметры основных типов транзисторов.
Кроме двух- и трехслойных структур рассмотрены также вопросы, связанные с функционированием полупроводниковых датчиков, не содержащих р-п переходов. Отдельно на
наиболее типичных структурах проанализированы принцип действия и характеристики приборов, обладающих вольт-амперной характеристикой S-типа.
Курс лекций представляет собой систематизированное многоплановое изложение
ряда основных направлений твердотельной электроники, включающее основные разделы физики полупроводников и полупроводниковых приборов.
Адаптированный к данному курсу в рамках КСР комплекс вопросов направлен на
развитие у студентов навыков активной самостоятельной работы.
Материал курса основан на базовых знаниях и представлениях, заложенных в общих
курсах по физике и микроэлектронике. Он является базовым для последующих спецкурсов.
Программа курса составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта и рассчитана на 102 часа. Примерное распределение учебных часов по видам занятий
следующее: лекции — 64 часа, семинарские занятия – 32 часа, контролируемая самостоятельная работа студента — 6 часов. Форма отчётности — зачет, экзамен.
На основе данной учебной программы разрабатывается рабочая программа, в которой
возможны изменения последовательности изложения содержания отдельных разделов, а также их относительного объема.
II. СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
Введение. Основные, современные тенденции развития микро-, нано- и оптоэлектроники в
контексте развития физики и техники полупроводников.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
1. Кристаллы.
Понятие кристалла. Особенности строения кристаллов и их основные свойства. Свободная энергия и энергия связи. Координационное число. Ковалентная связь в кристаллах.
Структура алмаза. Ионная связь. Металлическая связь.
2. Металлы и полупроводники
Свободные электроны в металле. Влияние внешнего электрического поля на движение
электронов в металле. Подвижность электронов в металле. Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.
Механизмы образования носителей тока в полупроводниках. Тепловое движение. Энергия ионизации атома. Флуктуации энергии. Длина свободного пробега, диффузионная длина
носителей заряда в полупроводниках. Соотношение Эйнштейна.
3.Электропроводность и основы зонной теории полупроводников.
Принцип запрета Паули. Спин электрона. Функции распределения МаксвеллаБольцмана и Ферми-Дирака. Химический потенциал. Основные свойства уровня Ферми.
Понятие энергетической зоны. Основные причины возникновения энергетических зон.
Энергетические диаграммы спектров валентных электронов металла, полупроводника и изолятора. Условия возникновения электропроводности в полупроводниках. Ширина запрещенной зоны полупроводников. Факторы, влияющие на величину данного параметра. Энергетическая диаграмма полупроводника, находящегося в однородном электрическом поле.
Собственная электропроводность полупроводников.
Донорные и акцепторные примеси в полупроводниках. Понятие дырки и дырочной
проводимости. Примесная электропроводность полупроводников. Примесное истощение.
Компенсация. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в полупроводниках.
4. Генерация, рекомбинация, диффузия и дрейф носителей заряда в полупроводниках.
Тепловая и световая генерация носителей заряда в полупроводниках Рекомбинация носителей заряда. Межзонная рекомбинация и рекомбинация с участием рекомбинационных
ловушек.
Время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках. Случай линейной
рекомбинации. Ловушки захвата носителей заряда и центры рекомбинации. Безизлучательная и излучательная рекомбинация носителей заряда в полупроводниках. Явление диффузии
в полупроводниках. Физический смысл коэффициента диффузии. Плотность диффузионного
потока и диффузионный ток в полупроводниках.
ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
5. Барьеры.
Барьер на границе кристалла. Физические причины его формирования. Работа выхода
(металл, диэлектрик). Образование двойного заряженного слоя. Методы определения величины работы выхода. Работа выхода в полупроводниках с электронной и дырочной проводимостью.
Поверхностные состояния (уровни Тамма). Изгибы энергетических зон, связанные с
присутствием поверхностных состояний. Поверхностный потенциал. Влияние поверхностных состояний на работу выхода в полупроводниках..
6. Основные параметры энергетических барьеров в полупроводниках.
Механизмы проникновения внешнего электрического поля в металл, диэлектрик и полупроводник. Уравнение Пуассона. Распределение электрического поля в барьере. Ширина
барьера. Влияние уровня легирования на высоту и ширину энергетического барьера.
7. p-n переход.
Методы получения p-n переходов (сплавление; диффузия; ионная имплантация).
Образование потенциального барьера на границе p-n перехода. Двойной заряженный
слой. Основные параметры потенциального барьера. Высота барьера p-n пeрехода. Возникновение обедненного слоя. Распределение электрического поля в потенциальном барьере.
Ширина барьера. Равновесие в p-n переходе. Ток насыщения.
Обратно смещенный p-n переход. Распределение напряжения в p-n переходе при приложении обратного смещения. Высота и форма потенциального барьера обратносмещенного
p-n перехода. Обратный ток. Описание вольт-амперных характеристик обратносмещенного
германиевого p-n перехода; их сравнение с ВАХ для кремниевых и арсенидгаллиевых диодов. Генерационный ток. Барьерная емкость.
Ударная ионизация. Коэффициенты умножения носителей и ударной ионизации. ВАХ
лавинного диода. Схема защиты аппаратуры от перенапряжения с помощью использования
лавинного диода.
Прямосмещенный p-n переход. Высота потенциального барьера прямосмещенного p-n
перехода. Сравнение теоретически рассчитанной вольт-амперной характеристики с реальной
ВАХ германиевого диода. Инжекция.
8. Полупроводниковые диоды. (КСР)
Выпрямительные диоды. Стабилитроны. Импульсные высокочастотные и СВЧ диоды.
Диоды с накоплением заряда. Диоды Шоттки. Варикапы. Параметрические диоды. Фотоэлектрические приемники. Полупроводниковые источники излучения. Варисторы. Туннельные диоды. Диоды Ганна.
8. Биполярный транзистор.
Принцип работы биполярного транзистора. Параметры биполярного транзистора: усиление по току; коэффициент переноса; коэффициент усиления по току; быстродействие.
Дрейфовый транзистор. Фототранзисторы. Оптоэлектронные транзисторы. Оптроны.
9. Полевой транзистор.
Основная идея создания полевого транзистора (идея Лилиенфельда). Роль поверхностных состояний в практической реализации идеи Лилиенфельда.
Полевой транзистор с переходом (практическая реализация идеи Шокли).
МДП (МОП) транзисторы.
Транзисторы со встроенным и индуцированным каналами. Проводимость канала полевого транзистора. Напряжение отсечки. Пороговое напряжение.
Основные параметры полевых транзисторов: крутизна; быстродействие.
Биполярные и полевые транзисторы: общие свойства и основные различия.
10. Полупроводниковые приборы с вольт-амперной характеристикой S-типа.
Общая характеристика приборов с отрицательным сопротивлением. S-диод. Однопереходной транзистор. Лавинный транзистор. Транзистор с коллекторной утечкой. Модуляционный транзистор. Четырехслойные структуры. Тиристоры.
11. Полупроводниковые датчики.
Датчики температуры. Тензодатчики. Датчики магнитного поля. (4 ч.).
Основная и дополнительная литература
а) основная
1. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. – М.: «Советское радио», 1967. – 452 с.
1. Блейкмор Дж. Физика твердого состояния. – М.: «Металлургия», 1972.
– 486 с.
2. Соминский М.С. Полупроводники – М.: «Физматгиз», 1961, -- 417 с.
--320 с.
3. Пасынков В.П., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. – С.-П.: «Лань», 2001. –
360 с.
4. Левинштейн М.Е., Симин Г.С. Барьеры. – М.: «Наука», 1987. – 320 с.
5. Викулин И.М., Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов – М.: «Советское
радио», 1980. –297 с.
6. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – С.-П.: «Лань», 2001.
– 362 с.
б) дополнительная
1.
Шалимова К.В. Физика полупроводников. — М.: «Энергия», 1976.
-- 392 с.
2. Мидлбрук. Р.Д. Введение в теорию транзисторов. – М.: «Атомиздат», 1960.
-- 412 с.
3. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. – М.: «Сов. радио», 1969. –
389 с.
4. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. – М.: «Энергия», 1969. – 518 с.
III ТЕМЫ СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ
ФИЗИКА полупроводников
1. Статистика носителей заряда в собственных полупроводниках (концентрация носителей заряда при термодинамическом равновесии).
2. Статистика носителей заряда в примесных полупроводниках (концентрация носителей заряда при термодинамическом равновесии).
3. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в полупроводниках.
4. Механизмы рассеяния и подвижность носителей заряда в полупроводниках.
5. Неравновесные носители заряда и механизмы рекомбинации в полупроводниках.
6. Время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках. Температурная зависимость времени жизни.
7. Механизмы поглощения света в полупроводниках (собственное, экситонное, примесное поглощение и поглощение решеткой).
8. Фотопроводимость полупроводников. Релаксация и спектральная зависимость фотопроводимости.
9. Механизмы люминесценции в полупроводниках.
10.Эффект Холла (полупроводник с носителями заряда одного типа).
11.Эффект Холла (полупроводник с носителями заряда двух типов).
12.Отступления от закона Ома для полупроводников в сильных электрических полях.
13.Термоэлектронная и ударная ионизация носителей в полупроводниках.
Туннельный эффект.
14.Эффект Ганна.
Физика полупроводниковых приборов
1. Выпрямительные диоды.
2. Стабилитроны.
3. Импульсные высокочастотные и СВЧ диоды. Диоды с накоплением заряда.
4. Варикапы и параметрические диоды.
5. Влияние света на р--n-переход.
6. Фотодиоды (физические принципы работы и основные параметры).
7. Фотоэлементы.
8. Координатно-чувствительные фотоприемники.
9. Светодиоды.
10. Лазер на р—n-переходе.
11. Варисторы.
12. Шумы в полупроводниковых диодах.
13. Дрейфовый транзистор.
14.Фототранзисторы.
15.Оптоэлектронные транзисторы.
16. Оптроны.
17. Полевой транзистор с р--n-переходом.
18.Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы).
19.Общая характеристика приборов с вольт-амперной характеристикой S типа.
20. S–диод.
21. Однопереходной транзистор.
22. Лавинный транзистор.
23. Транзистор с коллекторной утечкой.
24. Инжекционно-полевой транзистор.
25. Четырехслойные р—n--р-- n-структуры.
26. Тиристоры.
27. Туннельные диоды.
28. Диоды Ганна.
29. Лавинно-пролетные диоды.
30. Терморезисторы.
31.Диоды, транзисторы и тиристоры как датчики температуры.
32. Тензодатчики.
33. Тензорезисторы.
34. Инжекционные тензодиоды.
35. Датчики на основе эффекта Холла.
36. Магнитодиоды.
37. Магнитотранзисторы.
38. Нейристоры.
39. Приборы с зарядовой связью.
40. Акустоэлектронные приборы.