Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 17

е. ускоряется против силы тяже#сти). Если |m*| = ¥, то rж = r, тело будет оставаться непод#вижным при любом конечном значении FT.4.14.НЕРАВНОВЕСНАЯЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬСОБСТВЕННОГО ПОЛУПРОВОДНИКАНеравновесная электропроводность обусловлена внешним воздействием на кристалл. В п. 4.12 описан процессвозникновения неравновесных носителей заряда за счетих инжекции в p–nпереходе. Рассмотрим закономерностинеравновесной электропроводности, вызванной действиемсвета (фотопроводимость) на кристалл, энергетическаяструктура которого представлена на рис. 4.9.

Очевидно, чтоквант света с энергией hn ³ DEg способен «перебросить»электрон из валентной зоны в зону проводимости; при этомв валентной зоне образуется дырка. Такой процесс называется генерацией неравновесных носителей светом. Послевключения света (t = t1) концентрации неравновесных94НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 4.14Зависимость концентрации неравновесных электронов в зоне проводимости Dn от времени t после включения (t1) и выключения (t2) света:n0 — равновесная концентрация элек/тронов; nст — общая стационарнаяконцентрация электронов, устанав/ливающаяся после включения света.носителей (Dn и Dр) увеличиваются. Процесс генерацииэлектронов и дырок сопровождается их рекомбинацией.На рис.

4.9б эти два процесса отображены сплошными ипунктирной стрелками соответственно.При достижении динамического равновесия между про/цессом генерации и рекомбинации величины Dn и Dр при/нимают максимальные стационарные значения Dnст и Dрст.Зависимости неравновесной концентрации Dn и Dр от вре/мени одинаковы. На рис. 4.14 представлен график Dn(t).Зависимость Dn от времени после выключения света(t2) можно представить соотношением:3n 4 3nст 5 e1t 1t22 ,(4.24)где t — время жизни неравновесных носителей заряда.Время жизни неравновесных носителей заряда — этосреднее время между моментом генерации и моментомрекомбинации носителя.После выключения света (t2) концентрация неравно/весных носителей заряда убывает по экспоненциальномузакону (4.24) и уменьшается за время жизни t в е » 2,7 ра/за, что показано на рис. 4.14. Зависимость неравновеснойэлектропроводности Ds от времени t выражается форму/лой, подобной формуле (4.19):1t 1t234 5 34ст 6 e 2 .Неравновесный носитель заряда в процессе теплового хаотического движения успевает за время жизни сместиться (в среднем) от точки генерации до точки рекомбинации на некоторое расстояние L.

Это расстояниеназывается диффузионной длиной неравновесных носителей (см. п. 4.12).Часть 2. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ954.15.ЗАВИСИМОСТЬЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИПОЛУПРОВОДНИКОВОТ ТЕМПЕРАТУРЫТипичные зависимости электропроводности полупро%водников от температуры определяются формулами (4.17),(4.19) и (4.21). Эти зависимости являются экспоненци%альными, т. е. весьма резкими.

Поэтому характеристики большинства микро, опто и наноэлектронных приборных структур достаточно чувствительны к изменениям температуры.Для любого полупроводника имеется такая температура ТK, выше которой р–пструктуры на его основе перестают работать. Эта температура тем выше,чем шире запрещенная зона.Например, для германия ТK » 80°С (DEg » 0,7 эВ), длякремния ТK » 120°С (DEg » 1,1 эВ), для арсенида галлия(GaAs) ТK » 250°С (DEg » 1,4 эВ). При достижении ука%занных температур концентрация собственных носите%лей в перечисленных полупроводниках превышает кон%центрацию примесных, p–n%переходы исчезают, и при%боры на их основе перестают работать.Высокой чувствительностью к изменениям темпера%туры обладают и активные элементы биологическогокомпьютера — нейроны человеческого мозга.

Устойчи%вую работу биологического компьютера природа обеспе%чила помещением его в термостат (наше тело), которыйподдерживает температуру на уровне ~36,7°С. В техникеэтот путь зачастую используется для сложных электрон%ных систем.В отдельных приборах и в интегральных микросхемахстабилизация температуры обычно обеспечивается систе%мой теплоотвода, а также специальными техническими исхемными способами.В частности, стремятся предельно снизить энергопо%требление каждого элемента ИМС. Переход к наноэлек%тронике — один из путей снижения остроты описаннойпроблемы.96НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальность4.16.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕМАТЕРИАЛЫВ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕК полупроводникам относится весьма большое числохимических соединений.

Однако в массовом производст'ве микро' и наноструктур приборного назначения исполь'зуется лишь малая часть веществ с полупроводниковы'ми свойствами. Это объясняется высокими требования'ми к полупроводниковым материалам, предъявляемымипрактикой.Полупроводниковые материалы, пригодные для эко'номически оправданного массового производства высоко'надежных приборов, должны:· иметь высокую химическую стойкость и стабильностьсвойств в широком диапазоне температур;· обладать хорошей обрабатываемостью механически'ми, химическими и другими методами;· давать возможность получать на их основе достаточносовершенные и чистые монокристаллические слиткии слои;· допускать формирование локальных областей р' иn'типа;· иметь необходимую ширину запрещенной зоны и вы'сокую подвижность носителей заряда;· опираться на достаточно емкую сырьевую базу, иметьприемлемую стоимость и т.

д.Многолетняя практика выдвинула в качестве основ'ного полупроводникового материала кремний. Сырье дляполучения кремния практически неисчерпаемо: содержа'ние кремния в земной коре составляет около 30%. Высо'кие механические, химические, тепловые, оптические иэлектрофизические свойства кремния позволяют ему за'нимать лидирующее место в производстве дискретныхполупроводниковых приборов и интегральных микросхемуже около 50 лет. Другие простые полупроводники (гер'маний, алмаз и т.

д.) применяются на практике намногореже. Велики перспективы использования кремния и внаноэлектронике.Часть 2. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ97В области полупроводниковой оптоэлектроники напервый план вышли соединения элементов 3'й и 5'й групптаблицы Менделеева. Обычно их называют соединения'ми «А три В пять» (А3В5). К элементам 3'й группы отно'сятся, например, Al, Ga, In; к элементам 5'й группы — As,Sb, P. Широко используются как двухкомпонентные со'единения (GaAs, InP, GaP и т.

д.), так и многокомпонент'ные AlGaAs, InGaAsP и т. д. Разнообразие свойств подоб'ных соединений обеспечивает производство эффективныхсветодиодов, полупроводниковых лазеров, фоточувстви'тельных элементов и т. д. Методы формирования опто'электронных структур на основе соединений А3В5 обеспе'чивают переход в оптоэлектронике к нанотехнологиям.Помимо соединений А3В5 имеются и другие двух' имногокомпонентные полупроводниковые соединения, суспехом использующиеся в полупроводниковой электро'нике, однако пока не столь масштабно, как соединенияэлементов третьей и пятой групп.Полупроводниковыми свойствами обладают многиеорганические соединения, например полиацетилен. Счи'тается, что органические полупроводники перспективныс точки зрения будущих применений, например в нано'электронике.Перспективна и особая группа полупроводников, об'ладающих ярко выраженными магнитными свойствами.Они называются магнитными полупроводниками.

К нимотносятся EuS, CdMnTe, Mn0,7Ca0,3O3 и др. (см. гл. 8).В магнитных полупроводниках могут проявляться силь'ные магнитооптические и магниторезистивные эффекты,которые также находят применение в современной элек'тронике, включая наноэлектронику.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ1. Какие этапы в развитии электроники вы знаете?2. Охарактеризуйте ламповую электронику. Какие проблемыэлектроники, назревшие в 50'х гг.

XX столетия, она не могларешить?3. Охарактеризуйте дискретную полупроводниковую электронику.4. Что такое полупроводниковая структура? Какие полупровод'никовые структуры вы знаете?98НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальность5. Охарактеризуйте интегральную полупроводниковую электро$нику.6. Что такое интегральная микросхема (ИМС)? В чем уникаль$ность полупроводниковых структур как конструкционных эле$ментов ИМС?7. В чем состоит гипотеза Планка? Приведите и поясните форму$лу Планка для кванта излучения.8. В чем состоит двойственность природы света? Приведите ипоясните формулу, связывающую импульс и длину световойволны.9.

В чем состоит гипотеза де Бройля? Приведите и поясните фор$мулу де Бройля.10. Какую роль играет уравнение Шрёдингера? В чем смысл функ$ции, относительно которой записывается уравнение Шрёдин$гера?11. Приведите и поясните соотношение неопределенностей Гей$зенберга.12. Что отражают пространственная и энергетическая моделиатома?13. Опишите основы теории Бора.14. Опишите и поясните энергетическую модель атома водорода.15. Какое излучение атома называется спонтанным, а какое вы$нужденным?16. В чем состоит энергетический подход при решении задач о дви$жении частиц?17.

Что такое потенциальная яма, потенциальный барьер?18. В чем состоит туннельный эффект?19. Чем отличается энергетический спектр частицы, подчиняю$щейся квантовой механике, от спектра классической части$цы, находящейся в потенциальной яме?20. Каковы особенности зависимости потенциальной энергии ва$лентного электрона в кристалле?21. В чем состоят особенности энергетического спектра кристалла?22. Как связан зонный энергетический спектр кристалла с дис$кретным спектром атомов, из которых состоит кристалл?23. Какие кристаллы относятся к проводникам? Полупроводни$кам? Диэлектрикам?24.