Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Что такое уровень Ферми?25. Какими видами электропроводности может обладать полу$проводник? Дайте определение каждому виду электропро$водности.26. Запишите и поясните закон Ома в дифференциальной форме.27. Какими физическими величинами определяется удельнаяэлектропроводность кристалла?28. Какие процессы называют генерацией и рекомбинацией носи$телей тока в полупроводнике?Часть 2.
ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ9929. В чем состоит процесс компенсации примесных уровней? Ка$кой вид проводимости реализуется в строго компенсирован$ном полупроводнике?30. Где расположен уровень Ферми в энергетических спектрахэлектронного, дырочного и собственного полупроводников?31. Какая особенность движения носителей тока в кристалле поддействием внешнего электрического поля учитывается введе$нием эффективной массы электрона?32. Опишите закономерности неравновесной электропроводностиполупроводника, вызванной действием света на собственныйполупроводник.33.
Как зависит электропроводность полупроводника от темпе$ратуры?34. Каков характер энергетических зон полупроводникового кри$сталла в области p–n$перехода?35. Какие полупроводниковые материалы наиболее широко ис$пользуются в электронике и оптоэлектронике?•5•ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕСТРУКТУРЫ5.1.РОЛЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХСТРУКТУР В МИКРОИ ОПТОЭЛЕКТРОНИКЕПереход к третьему этапу развития электроники, основанной на использовании ИМС (см. п. 4.1), часто связывают соткрытием в 1949 г.
американским физиком У. Шоклипринципа действия полупроводникового транзистора. Однако это не совсем так. Интегральная микросхема содержит не только транзисторы, но и другие схемные элементы (резисторы, диоды и т. д.) Причем в основе действияэлементов ИМС, включая транзисторы, лежат универсальные схемные свойства полупроводниковых структур. Значимость универсальных схемных свойств полупроводниковых структур для массовой технологии ИМСбыла осознана специалистами далеко не сразу.
За изобретение транзистора Нобелевская премия была присужденаУ. Шокли в 1956 г., т. е. через 7 лет после разработки, а заоткрытие, исследование и использование в микро и оптоэлектронике основополагающих свойств полупроводниковых структур — через десятки лет (Ж. И. Алферов,Дж. Килби, Г. Кремер, Нобелевская премия, 2000)Изобретения универсальных конструкционных элементов появляются довольно редко, но всегда оказываютсявесьма ценными, так как определяют длительный технический прогресс в соответствующей области. В механических устройствах универсальными конструкционными элементами оказались, например, стержень и колесо, до сихпор позволяющие создавать все более и более совершенныемеханические системы и изделия.
Природа также преуспела в создании необозримого разнообразия живых систем,Часть 2. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ101«используя» универсальный конструкционный элемент —клетку. Нет никаких сомнений в том, что переход к нано*электронике не ограничится разработкой лишь лаборатор*ных образцов, если будут найдены универсальные конст*рукционные элементы, комбинацией которых удастся соз*давать наноприборы различного назначения, используялибо групповую технологию, либо процессы самосборки. Длянанотехнологии по принципу «снизу вверх» такими универ*сальными конструктивными элементами являются атомы.Полупроводниковая структура представляет собойнекую границу раздела, в которой присутствует полупроводниковый материал (см.
п. 4.2.). Сюда относятся:граница раздела между областями с дырочной и электронной проводимостями внутри полупроводникового кристалла (p–nпереход), граница раздела между слоямиполупроводника с различной шириной запрещенной зоны(гетеропереход), контакт «металл–полупроводник»(диод Шоттки), структура «металл–диэлектрик–полупроводник» (МДПструктура).Электроннодырочные переходы и МДПструктуры —основа элементной базы интегральных микросхем, а гетеропереходы — основа оптоэлектронных приборов различного назначения.
Многие наноструктуры созданы приразработке все более миниатюрных структур рассмотрен*ного выше типа. С уменьшением размера структур быливыявлены новые полезные для электроники физические(в основном квантовомеханические) эффекты. Обычно ихназывают размерными.Универсальные схемные свойства ярко выражены уp–n*перехода. Поэтому рассмотрим особенности этойструктуры более подробно.5.2.ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОДИ ЕГО СВОЙСТВАРассмотрим особенности и свойства p–n*перехода спомощью простейших схем.
На рис. 5.1 p–n*переход пред*ставлен в виде пространственной конструкции с плоскимр–nпереходом площадью S.102НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 5.1Схема кристалла,содержащего электронную (n)и дырочную (р) области:2L — длина кристалла; S — егосечение.Рис. 5.2Распределение донорови акцепторов в кристаллес p–nпереходом (хi = 0)Рис. 5.3Распределение концентрациисвободных электронов и дырокв кристалле с p–nпереходомНа рис.
5.2 приведено распределение доноров и акцепторов. Вблизи левой границыкристалла (x = –L) и правой(x = L) концентрации акцепторов и доноров соответственно равны Na и Nd и монотонно убывают к p–nпереходу(х = 0). Электроннодырочныйпереход возникает в точках,для которых справедливо равенство Na(х) = Nd(х).В окрестности p–nперехода (хi = 0) концентрации доноров и акцепторов изменяются. Это означает, что должны возникать диффузионныепотоки акцепторов в сторонууменьшения их концентрации, т.
е. слева направо, и доноров — в обратном направлении. Однако диффузия атомовв твердом теле при комнатнойтемпературе столь слаба, чтоприведенное на рис. 5.2 распределение примесей можносчитать неизменным.На рис. 5.3 приведено распределение концентрации свободных электронов n (справа)и дырок р (слева).В плоскости p–nперехода имеет место полная компенсация донорных и акцепторных примесных уровней(Na(0) = Nd(0)); примеснаяэлектропроводность отсутствует. В этой плоскостиполупроводника имеютсяЧасть 2. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ103Рис. 5.4Распределение зарядоввблизи p–nперехода:r q — плотность заряда; пло$щади заштрихованных уча$стков пропорциональны пол$ному значению зарядов Q+и Q– (Q+ = |Q–|).только собственные носители тока с концентрациями ni,pi и собственная электропроводность.
Такая область полупроводника называется iслоем. Собственная электропроводность достаточно мала. Этот факт лежит в основе проявления резистивных свойств p–nперехода.Наличие изменения концентрации дырок и электронов (градиент концентрации) приводит к их диффузии че$рез p–nпереход в направлении областей с противополож$ным типом проводимости (стрелки на рис.
5.3). В резуль$тате в слоях кристалла, прилегающих к p–nпереходу,нарушается электронейтральность: в робласти возникаетизбыточный отрицательный заряд (в слое толщиной хр), ав n$области — положительный заряд (в слое толщиной хn).Образуется двойной электрический слой толщиной d == xn + xp, подобный зарядам на обкладках конденсатора(рис. 5.4). Таким образом, у p–nперехода, помимо резистивных свойств, имеются и емкостные свойства. Соответствующая емкость (Сб) получила название барьерной.
Величина d называется шириной p–nперехода.Слой объемного заряда часто называется обедненным(или запорным); он непосредственно прилегает к iслоюи имеет пониженную концентрацию носителей заряда.Ширина p–n$перехода d и барьерная емкость Сб зави$сят от концентрации примесей (Na и Nd) и разности потен$циалов U, приложенной к p–n$переходу, что в простейшемслучае (Nd ? Na) выражается приближенными формулами:d42(1k 2 U)30 3,qNa(5.1)10 1Na q,2(3k 4 U)(5.2)Cб 2 S104НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьгде e — диэлектрическая проницаемость полупроводни%ка; jk — контактная разность потенциалов, возникаю%щая в области p–n%перехода благодаря наличию двойногоэлектрического слоя (напомним, что контактная разностьпотенциалов возникает при соприкосновении любых раз%нородных материалов); U — приложенная к p–n%перехо%ду разность потенциалов; считается положительной, еслина р%область подан положительный потенциал, и отрица%тельной — в противоположном случае.Из формул (5.1) и (5.2) видно, что толщина объемно%го заряда d и емкость Сб изменяются с изменением раз%ности потенциалов на p–nпереходе.
Этот эффект исполь%зуется при создании различных дискретных приборов иэлементов ИМС.На рис. 5.5 представлена зависимость потенциала j(пунктир) и потенциальной энергии qj для положитель%ного (верхняя часть рисунка) и отрицательного (нижняячасть рисунка) зарядов от координаты х. Потенциал j соз%дается объемными зарядами Q+ и Q– в области р–п%перехо%да. Для положительного заряда (дырка) энергетически«не выгодно» находиться в электронной области. Она«стремится» самопроизвольно перейти в дырочную область, где ее энергия ниже.
Электрону «не выгодно» нахоРис. 5.5Зависимость потенциала j(пунктирная кривая) ипотенциальной энергии qj(сплошная кривая) дляположительного (верхняячасть рисунка) и отрицательного (нижняя часть) зарядовРис. 5.6Вольтамперная характеристика p–nперехода:пунктир — линейная (омиче%ская) характеристика; вставкипоясняют включение p–nпере%хода.Часть 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
