Введение. Содержание дисциплины

Содержание дисциплины

Твердотельная электроника – наука об электронных процессах в твердом теле и их применении для преобразования энергетических потоков и обработки информации.

Твердотельной электронике предшествовала электроника на электронных лампах.

В 1883 году Эдисон, экспериментируя с лампами накаливания, поместил в нее дополнительный электрод (анод). Когда на раскаленную нить (катод) был подан отрицательный потенциал, а на анод – положительный потенциал, через лампу пошел ток, создаваемый электронами, которые эмитировал горячий катод. Это был первый ламповый диод. Он пропускал ток только в одном направлении и широко использовался для преобразования переменного тока в постоянный. Для управления потоком электронов между катодом и анодом начали помещать металлические сетки, управляя потенциалом которых возможно изменять электронный ток через лампу. Такие лампы широко использовались для усиления и генерации электрических сигналов.

Первый шаг на пути к твердотельной электронике был сделан, когда перед Второй мировой войной для детектирования сигналов начали использовать нелинейные свойства контакта металл/полупроводник. Однако официальной датой ее рождения принято считать 1948 г. – год первой публикации об изготовлении биполярного транзистора, за изобретение которого Шокли, Бардин и Братейн были удостоены Нобелевской премии.

В начале 70-х годов начали выпускаться интегральные схемы (ИС), в которых на одном кристалле изготавливались все основные элементы электронной схемы. С тех пор это направление можно считать основным в развитии твердотельной электроники.

2.2. Структура и свойства твердых тел,
электронные свойства полупроводников

Электронное строение атома: модель Бора, квантовая механика.

Зонная структура твердых тел.

Легирование полупроводников. Зонная структура собственных и примесных полупроводников.

Основные понятия, термины и определения. Концентрация носителей заряда и положение уровня Ферми.

Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике.

Концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике.

Проводимость полупроводников.

Компоненты тока в полупроводниках.

Неравновесные носители.

Уравнение непрерывности.

Литература [1–3, 5–9, 11, 14–18, 22–25].

Дискретные моноэнергетические уровни атомов, составляющие твердое тело, расщепляются в энергетические зоны. Наибольшее значение для электронных свойств твердых тел имеют верхняя и следующая за ней разрешенные зоны энергий. В том случае, если между ними нет энергетического зазора, то твердое тело с такой зонной структурой является металлом. Если величина энергетической щели между этими зонами (обычно называемой запрещенной зоной) больше 3 эВ, то твердое тело является диэлектриком. И, наконец, если ширина запрещенной зоны E g лежит в диапазоне 0,1 ÷ 3,0 эВ, то твердое тело принадлежит к классу полупроводников.

Собственные полупроводники– это полупроводники, в которых нет примесей (доноров и акцепторов).

Собственная концентрация(n _i) – концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике (электронов в зоне проводимости n и дырок в валентной зоне p, причем n = p = n _i).

При Т > 0 часть электронов забрасывается из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны и дырки могут свободно перемещаться по энергетическим зонам. Дырка– это способ описания коллективного движения большого числа электронов в частично заполненной валентной зоне. Электрон – это частица, дырка – это квазичастица. Электрон можно инжектировать из полупроводника или металла наружу (например, с помощью фотоэффекта), дырка же может существовать только внутри полупроводника.

Легирование– введение примеси в полупроводник, в этом случае полупроводник называется примесным. Если в полупроводник, состоящий из элементов 4 группы (например, кремний или германий), ввести в качестве примеси элемент 5 группы, то получим донорныйполупроводник (у него будет электронный тип проводимости) или полупроводник n -типа. Если же ввести в качестве примеси элемент 3 группы, то получится акцепторныйполупроводник, обладающий дырочной проводимостью(р -тип).

Электроны, как частицы, обладающие полуцелым спином, подчиняются статистике Ферми – Дирака. Вероятность того, что электрон будет находиться в квантовом состоянии с энергией Е, выражается функцией Ферми – Дирака. Уровень Ферми можно определить как энергию такого квантового состояния, вероятность заполнения которого равна ½.

При отсутствии внешних воздействий (освещение, электрическое поле и т. д.) будем обозначать равновесные концентрации свободных электронов и дырок с индексом нуль, то есть n ₀ и p ₀ соответственно. Для собственного полупроводника n ₀ = p ₀ = (n_i)².

Пусть полупроводник легирован донорами с концентрацией N _D. При комнатной температуре в большинстве полупроводников все доноры ионизованы, так как энергии активации доноров составляют всего несколько сотых электронвольта. Тогда для донорного полупроводника n ₀ = N _D. Концентрация дырок в донорном полупроводнике p ₀ = (n_i)² / N _D.

При приложении электрического поля к однородному полупроводнику в последнем протекает электрический ток. При наличии двух типов свободных носителей – электронов и дырок – проводимость σ полупроводника будет определяться суммой электронной σ _n и дырочной σ _p компонент проводимости: σ = σ_n + σ_p.

Для легированных полупроводников концентрация основных носителей всегда существенно больше, чем концентрация неосновных носителей, поэтому проводимость таких полупроводников будет определяться только компонентой проводимости основных носителей. Так, для полупроводника n -типа σ=σ_n+σ_p=σ_n.

Как уже отмечалось выше, проводимость, а следовательно, и ток в полупроводниках обусловлены двумя типами свободных носителей. Кроме этого, также есть две причины, обусловливающие появление электрического тока, – наличие электрического поля и наличие градиента концентрации свободных носителей. С учетом сказанного плотность тока в полупроводниках в общем случае будет суммой четырех компонент: J = J _p + J _n = j _nE + j _nD + j _pE + j _pD, где
j _nE– дрейфовая компонента электронного тока, j _nD – диффузионная компонента электронного тока, j _pE – дрейфовая компонента дырочного тока, j _pD – диффузионная компонента дырочного тока.

Помимо теплового возбуждения появление свободных носителей заряда может быть связано с другими причинами, например, в результате облучения фотонами или частицами большой энергии, ударной ионизации, введения носителей заряда в полупроводник из другого тела (инжекция) и др. Возникшие таким образом избыточные носители заряда называются неравновесными. Таким образом, полная концентрация носителей заряда равна: n = n ₀ + Δ n; p = p ₀ + Δ p, где n ₀ и p ₀ – равновесная концентрация, а Δ n и Δ p – неравновесная концентрация электронов и дырок.

Если возбуждение избыточных электронов производилось из валентной зоны, а полупроводник однородный и не содержит объемного заряда, то концентрация избыточных электронов равна концентрации избыточных дырок Δ n = Δ p. После прекращения действия механизма, вызвавшего появление неравновесной концентрации носителей, происходит постепенное возвращение к равновесному состоянию. Процесс установления равновесия заключается в том, что каждый избыточный электрон при встрече с вакантным местом (дыркой) занимает его, в результате чего пара неравновесных носителей исчезает. Явление исчезновения пары носителей получило название рекомбинации, а R – темп рекомбинации. В свою очередь возбуждение электрона из валентной зоны или примесного уровня, сопровождающееся появлением дырки, называется генерациейносителей заряда, а G – это темп генерации.

Динамика изменения неравновесных носителей по времени при наличии генерации и рекомбинации в полупроводнике, а также при протекании электрического тока определяется уравнением непрерывности. Уравнение непрерывности – это уравнение сохранения числа частиц в единице объема. Это уравнение показывает, как и по каким причинам изменяется концентрация неравновесных дырок со временем. Во-первых, концентрация дырок может изменяться из-за дивергенции потока дырок. Во-вторых, концентрация дырок может изменяться из-за генерации (ударная ионизация, ионизация под действием света и т. д.). В-третьих, концентрация дырок может изменяться из-за их рекомбинации.

Вопросы для самопроверки:

1. Рассчитайте количество электронов на оболочке, подоболочках и орбиталях для оболочки с главным квантовым числом N = 4.

2. Поясните механизмы электропроводности для металлов, полупроводников и диэлектриков с точки зрения зонной теории.

3. Поясните физический смысл уровня Ферми.

4. Эффекты легирования полупроводников.

5. Зонные диаграммы полупроводников n и p типа.

6. Температурная зависимость собственной и примесной концентрации основных носителей заряда.

7. Температурная зависимость электропроводности полупроводников.

8. Компоненты тока в полупроводнике.

9. Возникновение неравновесных носителей заряда и их концентрация.

10. Характерные особенности регенерации носителей заряда для кремния и германия.

11. Уравнение непрерывности.

Дата добавления: 2015-05-07