Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (Основы электроники и микроэлектроники (книга)), страница 3

В !96! — !962 гг. начали создавать отечественные микросхемы на биполярных транзисторах, а в !961 г. — на полевых транзисторах. С !967 г. начался выпуск больших интегральных микросхем. В настоящее время микрозлектроиика создает сверхбольшие и сверхбыстродействуюшне микросхемы и микропроцессоры. Одновременно все большее развитие получает функциональная мнкрозлектроника. и Постоянное совершенствование производства полупроводниковых приборо в дет по пути разработки новых технологических процессов и методов использования новых материалов, широкого внедрения автоматизации и механизации производственных процессов.

Раздев 1. ПОЛХПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ Гиааа 1.1. электРОЛРОВОднОсть пОлупРОВОдникОВ !О 1.1.1. Строение и энергетические свойства кристаллов твердых тел Все вещества по электрическим свойствам делят на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. По величине удельной электрической проводимости полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают особыми свойствами, связанными с физической сущностью механизма их электропровод- ности.

На этих свойствах основан принцип действия разнообразных полупроводниковых приборов, их характеристики и область применения. Чтобы рассмотреть структуру и энергетические свойства кристаллических твердых тел„ к которым относятся кремний и германий — полупроводники, получившие наибольшее распространение для изготовления полупроводниковых приборов,— следует сначала обратиться к энергетическим свойствам отдельного атома. Из электронной теории строения вещества известно, что наименьшей частицей химического элемента является атом; он имеет ядро, вокруг которого движутся электроны, создавая электронную оболочку.

Суммарный отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд ядра, так что в нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Двигаясь вокруг ядра по определенным орбитам, электроны удалены от ядра на разные расстояния и, соответственно, обладают разной по величине энергией: чем дальше от ядра, тем больше энергия электрона и тем слабее он связан с ядром. Электроны наружного слоя электронной оболочки называют валентными. Они обладают наибольшей энергией и слабее всего связаны с ядром. Согласно квантовой теории, электроны атома могут обладать только строго определенными значениями энергии, именуемыми разрешенными. Этн значения энергии называют энергетическими дровнями.

Распределение электронов по энергетическим уровням носит название диаграммы энергетических уровней, или энергетической диаграммы. Пример такой диаграммы для изолирован- !! у ного атома дан на рис. 1.1, а. По вертикали отложено значение величины энергии, а соответствующий энергетический уровень показан горизонтальной линией (по горизонтали ничего не откладывают). В соответствии с принципом Паули на каждом энергетическом уровне может находиться одновременно не более двух электронов, имеющих разные направления вращения вокруг своей оси (противоположные спины). з $ н в з с и оз Рнс. !.!.

Разрешенные энергетические уровни электронов в отдельном атоме (а) н расшеилеине их на энергетические зоны в кристалле (о) Если атом находится в нормальном состоянии и не поглощает извне энергию, то все нижние разрешенные энергетические уровни заняты электронами! переход электрона с одного уровня на другой невозможен. Более высокие разрешенные уровни остаются не занятыми электронами и называются свободными. Переход электрона на более высокий свободный энергетический уровень, т.е.

на более удаленную от ядра орбиту, возможен лишь при поглощении им извне строго определенной порции энергии, равной разности значений энергии свободного и занятого этим электроном уровней. В этом случае атом переходит в возбужденное состояние. Возбуждение атомов может осуществляться за счет воздействия любого вида энергии — тепловой, световой, электрической, магнитной, причем внешняя энергия может поглощаться электронами только строго определенными порциями — квантами. Возбужденное состояние атома очень неустойчиво.

Оно длится всего стомиллионную долю секунды, и атом возвращается в нормальное состояние, что сопровождается переходом электрона обратно на свой прежний энергетический уровень. Переход атома из возбужденного в нормальное состояние сопровождается выделением избытка энергии в виде кванта электромагнитных излучений независимо от того вида энергии, под воздействием которого ранее произошло возбуждение атома. Если количество поглощенной извне дополнительной энергии !2 достаточно велико, то электрон совсем отрывается от атома, т.

е. происходит ионизация атома: он расщепляется на свободный электрон и положительный ион. Обратный процесс — соединение свободного электрона и положительного иона в нейтральный атом — носит название рекомбинации и сопровождается выделением избытка энергии в виде кванта излучения. Выделяемая энергия равна затраченной ранее на ионизацию атома. При образовании кристаллов твердого тела возникает взаимодействие между атомами, в результате которого разрешенные уровни энергии отдельных атомов как бы расщепляются на ряд близко расположенных, но отделенных друг от друга (дискретных) уровней, образующих энергетические зоны (рис.

1.1. б). При этом сохраняется, как и в отдельном атоме, принцип Паули, в соответствии с которым на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов с противоположным направлением вращения вокруг собственной оси. Уровни энергии отдельного атома, занятые электронами при температуре абсолютного нуля Т= О К, образуют в кристалле заполненные зоны, верхняя из которых, занятая валентнымн электронами, называется валенгной зоной.

Разрешенные более высокие уровни энергии атома, не занятые электронами при Т= О К, образуют в кристалле свободную зону; ее нижняя часть, уровни которой могут занимать электроны, получившие дополнительную энергию, называется зоной проводимости. Электроны, находящиеся в зоне проводимости, участвуют в создании электрического тока под действием приложенного к кристаллу напряжения, так как зти электроны не связаны с атомами, являются свободными и могут перемещаться по кристаллу.

Электроны, находящиеся в заполненной зоне, связаны с атомами и не могут осуществлять электропроводность вещества. В различных по характеру электропроводности веществах валентная зона и зона проводимости либо примыкают друг к другу, либо отделены запрещенной зоной. Запрещенная зона представляет собой полосу таких значений энергии Л)ээ, которыми не могут обладать электроны в кристалле. Наличие запрещенной зоны характерно для полупроводников и диэлектриков; у металлов ее нет. Энергетические диаграммы металлов, полупроводников и диэлектриков при Т = О К представлены на рис. 1.2. На этих диаграммах валентная зона, заполненная электронами, показана более толстыми сплошными линиями, а зона проводимости, в которой при этих усповиях нет электронов, — тонкими линиями.

В металлах при образовании кристаллической решетки все валентные электроны атомов, имея слабую связь с ядром, уже при небольшой дополнительной энергии отрываются от атомов у и становятся свободными. Они совершают хаотическое тепловое движение внутри кристалла между узлами кристаллической решетки, в которых располагаются положительные ионы— остатки атомов, потерявших валентные электроны.

Под действием электрического поля свободные электроны движутся направленно, обеспечивая высокую удельную электрическую проводимость. Эти свойства отражает энергетическая диаграмма металла (рис. 1.2,а), на которой валентная зона непосредственно граничит с зоной проводимости или даже частично перекрывается ею. Это означает, что практически все валентные электроны легко могут перейти на свободные уровни в зону проводимости; для этого достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при температуре, отличной от абсолютного нуля.

Зона роаоднмо Зона ярозо'- днмостн ЫМ апрзщзн зона ууз Валзнтная зона Валзнтна зона а. Рис. !зх Энергетические диаграммы металлов (о), полупроаодни- кои (б) и днэлектрикои (и) В полупроводниках зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной (рис. 1.2, б). Это означает, что для перевода валентного электрона в зону проводимости ему нужно сообщить извне определенную дополнительную энергию, зависящую от ширины запрещенной эоны.

Ширина запрещенной эоны Л(Т( — это энергия, которую надо сообщить электрону, находящемуся на верхнем энергетическом уровне валентной зоны, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень зоны проводимости. Она измеряется в электрон-вольтах (эВ) и составляет для полупроводников от десятых долей до 2 — 3 эВ*. Например, ширина запрещенной зоны германия равна 0,72 эВ, кремния — 1,12 эВ.