Л.С. Стильбанс - Физика полупроводников

Лазарь Соломонович СтильбансФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВКнига представляет собой систематическое рассмотрение основных разделовфизики полупроводников: качественного и количественного описания строенияполупроводниковых кристаллов, энергетического спектра и статистикиэлектронов и фононов, теории явлений переноса, оптических и фотоэлектическихсвойств и контактных явлений.В первой главе эти вопросы рассмотрены в качественной форме, а впоследующих дается количественный анализ, но при этом везде делается упор нафизическую сущность явлений; необходимые для понимания этого материаласведения из теоретической физики (квантовой механики, статистики итермодинамики) приводятся в тексте попутно с основным материалом.

Втораяглава посвящена описанию основных свойств кристаллов: симметрии, характерахимической связи, дефектов, тепловых колебаний и теплоемкости. В третьейглаве дается представление об электронной теории кристаллов (предпосылкивведения адиабатического и одноэлектронного приближения, методы анализа иособенности зонной структуры полупроводников). Статистике электронов вполупроводниках посвящена четвертая глава, в которой также приведенынекоторые положения термодинамики.В пятой, шестой и седьмой главах излагаются основы теории явленийпереноса (анализ кинетического уравнения, электро- и теплопроводностиполупроводников, термоэлектрических, гальвано- и термомагнитных явлений).Восьмая глава посвящена теориям выпрямления на контакте металл —полупроводник и р-п переходе, и девятая — оптическим явлениям (поглощениюсвета, фотопроводимости, фотовольтаическим эффектам и стимулированномуизлучению).Книга рассчитана на широкий круг читателей — инженеров, научныхработников и студентов старших курсов технических вузов.СОДЕРЖАНИЕПредисловие3Глава первая.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ61. 1. Некоторые сведения о строении атома61. 2. Энергия и движение электрона в твердом теле101. 3. Электропроводность полупроводников361. 4. Теплопроводность полупроводников431. 5. Контактные явления551. 6. Термоэлектрические явления751. 7. Гальваномагнитные и термомагнитные явления831. 8. Фотопроводимость100Глава вторая.

СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ1132. 1. Некоторые вопросы квантовой теории1132. 2. Геометрия кристаллической решетки1472. 3. Дефекты в кристаллах2. 4. Тепловые колебания кристаллов2. 5. ТеплоемкостьГлава третья. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИКРИСТАЛЛОВ3.

1. Адиабатическое приближение3. 2. Одноэлектронное приближение3. 3. Приближение почти свободных электронов3. 4. Приближение сильно связанных электронов3. 5. Основные особенности структуры энергетических зонполупроводниковГлава четвертая. СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ4. 1. Некоторые понятия статистики и термодинамики4. 2. Распределение Ферми4. 3. Статистика невырожденного электронного газа в полупроводниках4.

4. Энергия электронов в зоне проводимости, вырождениеГлава пятая. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЯВЛЕНИЙ ПЕРЕНОСА5. 1. Элементарный расчет электропроводности и подвижности5. 2. Кинетическое уравнение (учет энергетической зависимости временирелаксации)5. 3. Феноменологический анализ явлений переноса5. 4. Вычисление времени релаксации5. 5. Явления в сильных электрических поляхГлава шестая.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ИТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ6. 1. Термоэлектродвижущая сила6. 2. Вывод коэффициента термо- э.д.с. из кинетического уравнения6. 3. Увлечение электронов фононами6. 4. Зависимость термо- э.д.с. от температуры и концентрации носителей6. 5. Электронная теплопроводность6. 6. Теплопроводность кристаллической решетки6. 7. Фотонная теплопроводностьГлава седьмая. ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ И ТЕРМОМАГНИТНЫЕЯВЛЕНИЯ7.

1. Общие сведения7. 2. Эффект Холла и изменение сопротивления в магнитном поле7. 3. Эффект Эттингсгаузена7. 4. Гальваномагнитные явления в сильных магнитных полях7. 5. Термомагнитные явленияГлава восьмая. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ8. 1. Особенности контактных явлений8. 2. Контакт полупроводника и металла1631741841901901941982072092172172242262352442452602702712782922942962993043113173293313313413503513553623623668. 3. Диффузионная теория выпрямления Мотта (химический барьерныйслой на границе металла с полупроводником)8. 4. Диодная теория Бете8.

5. Теория физического запорного слоя (теория истощения Шоттки)8. 6. Теория p-n переходаГлава девятая. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ9. 1. Поглощение света9. 2. Фотопроводимость9. 3. Фотовольтаические эффекты9. 4. Циклотронный резонанс9. 5. Стимулированное излучениеЛитератураПредметный указательПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬАдиабатическое приближение 190—194, 196Альфа-подход (в теории термоэлектричества) 302Ангармоничность (колебаний) 48, 54, 55, 186, 319Антизапорный слой 64, 65Атомные кристаллы 170Базисный вектор (решетки) 152, 155, 157, 160, 198, 210Бозе — Эйнштейна распределение 322, 324, 328Больцмана распределение 184,Бравэ решетки 156, 157Бриллюэна зоны 204, 205, 211, 213, 216Валентная зона 13, 14, 16, 18, 36, 109, 203, 434, 435Вероятность нахождения частицы 122, 134 — перехода 130, 131, 138, 141«Вертикальные» переходы — см.

ПереходыВидемана и Франца закон 45, 256, 311, 315, 316Волна электрона 121, 122, 128, 158, 249Волновая функция 122, 123, 130, 190, 192, 196—200, 274, 275, 285Волновое число 47, 160, 259, 285Волновой вектор 47, 53, 117, 122, 159-161, 176, 179, 181, 202, 320, 322Волны упругие 46, 176, 317,Вольтамперная характеристика контакта двух металлов 61— — — полупроводника и металла в диодной теории 66—68, 373—376— — — — — — в диффузионной теории 66, 68, 69, 368—373, 376—378— — p-i-n перехода 396— — р-п перехода 72—75, 385— 396— — фотоэлемента 425Время жизни 72, 106, 392, 409, 416, 420Время релаксации 41, 218—220, 256, 258—261, 267—278, 355, 404, 415368373375378400400409421426430441443— —, энергетическая зависимость 256, 260, 261, 271, 343, 357— — фононов 300, 301, 317, 323—325— — —, дисперсионные зависимости 325—326Время свободного пробега 37, 100, 247, 249, 257, 259—261, 279, 429Выпрямление на контакте двух металлов 60, 61— — — — полупроводников 61— — — полупроводника и металла 66—70Вырождение (см.

также «масса эффективная», «невырожденное», «электронныйгаз», «дырочный газ», «состояния», «полупроводники»31, 78,235,282,339,413—, кратность 224—, критерий 242— ориентационное 235— полное 237, 241, 243, 342—, связь с эффективной массой 240— сильное 44, 242, 243—.снятие 31, 137, 138, 201,235—, степень 30, 238, 261, 312, 316— частичное 31, 35, 239, 242, 433Гальвано-магнитные явления 83, 85—98, 99, 244, 331, 334, 341, 351— —, коэффициенты 270— — поперечные, продольные 92, 99, 351Гамильтона оператор (гамильтониан) 131—134, 139, 142, 190, 207Генерация носителей 101, 104, 378, 379, 418Групповая скорость 117, 179, 180— — распространения тепловых колебаний 49— — электронной волны 202, 236Дебаевский радиус экранирования 288, 363Дебая температура 41, 51, 52, 54, 55, 89, 96, 97, 187, 255, 276, 277, 283, 327— функция 188Дембера эффект 422Дефекты решетки 34, 36, 37, 39, 48, 163—174, 319, 324Диффузии коэффициент 69, 72, 364, 422— — для ионов 172, 173Диффузионная длина 72, 365, 381—383, 392, 394, 423Диффузионная теория — см.

выпрямлениеДиффузия биполярная 82, 349, 357— ионов 171— носителей 68, 72, 74, 78, 363, 397, 421, 422Диффузия электронно-дырочных пар 45Длина свободного пробега 37, 39, 40, 42, 44, 48, 49, 54, 66, 68, 81, 94, 96, 97, 247,249, 257, 261, 275— 276, 279, 317, 324, 337, 343, 368, 373, 374Емкость р-п перехода 280, 301, 364, 366, 376, 389—392Жидкость фермиевская 239—электронная 30, 238Запорный слой 63, 64, 66, 72, 290, 363, 368—378, 423Заселенность инверсная 433, 434, 436, 437, 440Захват носителей 104, 105Зеркального изображения силы 371, 372Зона (энергетическая) 11—15, 56, 100, 209—216— запрещенная 16, 18, 20, 32, 46, 108, 166, 202, 235, 286, 289, 306, 399, 416, 434,435, 440Импульс фонона 53, 54, 118, 254, 258— фотона 108, 109, 405, 408—409— электрона (см.

также квазиимпульс) 27, 121, 190 254, 259, 405—406Импульса закон сохранения 54, 104, 108, 110, 111, 251, 253, 405, 435Инжекция 74, 75, 362, 380—385, 394—395, 440Интеграл перекрытия 207, 208— столкновений 267, 269, 323Ионизация двухступенчатая 410—термоэлектронная 285—287, 373— ударная 285, 289—291,362, 365, 384, 392— электростатическая 285, 362, 375, 384Квазиимпульс фонона 253— электрона 27, 214, 241, 253, 257Квазистатический процесс 220Квазиуровень Ферми 382—384, 417Квазичастицы 219, 253Квантовый выход 106, 112Кванты энергии волны 114, 116— — излучения 120— — осциллятора 51, 53Кикоина — Носкова фотомагнитный эффект 422—423Кинетическое уравнение (Больцмана) 260—270, 340, 341— — для фононов 318, 325, 328Ковалентные кристаллы 89, 144, 147, 176, 196, 197Когерентного излучения генераторы 142Колебания атомов решетки, акустические 89, 181—183, 188, 317, 318— — — оптические 41, 89, 112, 181—183, 189, 255, 276, 283, 314, 316, 317— — — поляризация 176— — — поперечные, продольные 176, 317, 318— — — тепловые 14, 15, 29, 36, 37, 39, 40, 146, 148, 166, 174—184, 237, 238,274—278, 409Контактная разность потенциалов 58, 59, 63, 78, 367, 368, 381, 395Контактные явления 55, 63, 362—399Концентрация носителей тока 19, 22, 24, 30, 35, 44, 68, 77, 88, 100, 226, 229—234,241, 278, 304—306, 418— — , влияние поля 284— 291— — — неравновесная 102— 103, 380, 382, 384— электронов в металлах и полуметаллах 19, 30, 31, 43, 242Край полосы поглощения 108Кристаллическая решетка 36, 147-163, 171, 208, 211,281Лавинный эффект 363, 365Лазер 104, 165, 436, 437, 440Ландау уровни 340Ловушки (см.

также прилипание) 416—417, 420Лоренца сила 84, 85, 264, 331, 333, 423— число 44, 257, 3J6Магнитная сила 84, 85, 86, 90, 91, 95, 97, 332, 334, 335Магнитное поле сильное 94, 95, 338, 339, 341, 351—355— — —, классический и квантовый критерии 340, 351— — слабое 93, 94, 95, 337, 338, 341, 347Маджи — Риги — Ледюка эффект 100Максвелла — Больцмана распределение 35, 227, 239, 328, 347— закон распределения для скоростей 15Масса эффективная 24, 27, 35, 42, 120, 212, 213, 214, 277, 331, 392, 427Мелкие уровни 120Металлическая связь 144, 147Металлы 13, 16, 18, 58—62, 78, 176, 237, 242, 298—, схема валентной зоны 16— щелочно-земельные 17, 238— щелочные 16, 34, 199, 237Миллеровские индексы 163Модуль .сжимаемости 49Невырожденное состояние электронного газа 30, 31, 35, 44, 77, 81, 227, 277Неопределенностей соотношения Гейзенберга 124, 162Неопределенности принцип 123—128, 175, 249Непрерывности уравнение 378—379, 389Нернста — Этингсгаузена эффекты 98—100, 356—358, 423Обратная решетка 158, 203, 205, 210— —, вектор 161, 200, 203, 321, 322— —, — базисный 162Обратное пространство 159, 161, 162, 198, 210— —, основная (или приведенная) область 160, 161— —, элементарная ячейка 160Обращенный диод 364, 397Объемный заряд 62, 64Одноэлектронное приближение 194—198, 209Паули принцип 13, 56, 126, 175, 196, 199Пельтье явление 63, 75, 76, 79, 292, 293, 300, 303— коэффициент 76, 81, 82, 303— теплота 80Переноса явления 244—292, 413— —, феноменологическийанализ 270—271Переход p-i-n 393—396— электронно-дырочный 70, 71, 280, 362, 363, 366, 378—399, 423, 437, 440— — на границе полупроводник — металл 65, 66— — толстый, тонкий 72, 392—396Переходы (носителей) — см.

также «рекомбинация»— безызлучательные 104, 194—«вертикальные» 256, 405— межзонные (прямые) 107, 108, 404—407, 435—«непрямые» 406, 407, 435, 436— при столкновениях горизонтальные, вертикальные 313—314Пи-подход (в теории термоэлектричества) 294, 302Писаренко формула 82Плотность состояний (электронных) 28, 32, 33, 42, 227— 229, 308, 339, 382, 417,418Поглощение (излучения, света) 107, 400—409— отрицательное 431, 432— примесное 107, 108, 110— свободными носителями 106, 112, 402—404, 435— собственное (фундаментальное) 107, 109, 409— —, красная граница 410—, спектр 107, 408—.спектральное распределение 409— экситонное 111, 407—410Подвижность ионов 173, 174Подвижность носителей тока 19, 36, 245, 256, 257, 260, 403, 410— — —, температурная зависимость 19, 256, 261— — —, экспериментальное определение 88, 97, 356— —, зависимость от электрического поля 279—284Полупроводники 13, 18— вырожденные (см.