Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 2
Текст из файла (страница 2)
началась эра современной электроники, Работа тиристора, представляющего собой три близко расположенных и взаимодействующих р — и-перехода (р — п — р — п-структура), рассматривается в гл. 4, Тиристоры обладают широким диапазоном уровня переключаемых мощностей. В зависимости от назначения они могут выдерживать токи от нескольких миллиампер до тысячи ампер и напряжения свыше 5000 В.
Часть 111 (гл. 5 — 8) посвящена униполярным приборам, работу которых определяют главным образом носители одного типа (основные). Описанный в гл. 5 контакт металл — полупроводник в значительной мере подобен резкому асимметричному р — и- переходу, однако, как и все приборы на основных носителях, он обладает существенно более высоким быстродействием. Кроме того, контакты между металлом и,сильнолегированным полупроводником широко используются в различных приборах в качестве омического контакта. В гл, 6 рассмотрены родственные по принципу действия полевые транзисторы с р — и-переходом в качестве затвора и полевые транзисторы, в которых роль затвора играет контакт металл — полупроводник (МП-транзисторы).
В каждом из них электрическое поле затвора контролирует величину тока, протекающего вдоль перехода затвора. Вопросы физики поверхности и приборы со структурой металл — окисел — полупроводник (МОП-структуры) обсуждаются в гл. 7 и 8. Отметим, что свойства поверхностных состояний важны не только для рабочих характеристик приборов этого класса, но определяют надежность и стабильность работы остальных типов полупроводниковых приборов. В гл.
7 рассмотрен сравнительно новый тип полупроводниковых приборов — приборы с зарядовой связью (ПЗС). Они представляют собой совокупность близко расположенных МОП- конденсаторов и находят широкое применение для обработки сигналов и в качестве приемников изображения. В гл. 8 описаны полевые транзисторы металл — окисел — полупроводник (МОП- транзисторы), представляющие собой важнейший элемент современных сверхбольших интегральных схем (СВИС). МОП-транзисторы широко используются в современных микропроцессорах и полупроводниковых запоминающих устройствах, содержащих тысячи отдельных элементов в одном кристалле.
Часть Ю (гл. 9 — 11) посвящена важнейшим полупроводниковым СВЧ-приборам. В гл. 9 изложены свойства туннельных диодов, представляющих собой сильнолегированные р — п-переходы, в которых величина электрического поля достаточна для квантовомеханического межзопного туннелирования. В условиях лавинного пробоя р — и-перехода или контакта металл — полупроводник генерируется СВЧ-излучение.
Рабочие характеристики таких лавинно-пролетных диодов (ЛПД) и некоторых родственных приборов приведены в гл. 10. СВЧ-излучение может генерироваться также при междолинных переходах электронов из нижней долины зоны проводимости с высокой подвижностью в расположенную при более высокой энергии долину с низкой подвижностью. Приборы этого типа описаны в гл. 11. Часть Ъ' (гл.
12 — 14) посвящена оптоэлектронным приборам, которые детектируют, излучают и преобразуют энергию светового излучения в электрическую и наоборот. Светодиоды и полупроводниковые лазеры рассмотрены в гл. 12. Те и другие в настоящее время широко используются в качестве излучателей в современных волоконно-оптических линиях связи, Различные типы полупроводш.ковых фотодетекторов с высокой квантовой эффективностью и быстродействием описаны в гл.
13. Мировой энергетический кризис стимулировал поиск и разработку альтернативных источников энергии. Считается, что одним из главных направлений в этой области является развитие полупроводнико- Введение !0 вых солнечных батарей, обеспечивающих непосредственное преобразование солнечной энергии в электрическую с достаточно высокой эффективностью. Полупроводниковые солнечные батареи различных типов и их рабочие характеристики рассмотрены в гл. 14. Поговорим о принятых в книге обозначениях. Для простоты некоторые символы мы используем несколько раз, т. е, для обозначения различных понятий в различных приборах.
Так, например, символом а мы обозначаем коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общей базой, коэффициент оптического поглощения в фотодетекторах и коэффициент ударной ионизации в лавинно-пролетных диодах. В противном случае нам понадобилось бы для обозначений использовать более сложные (и менее употребительные) символы, что, как нам кажется, менее удобно. Тем не менее на протяжении отдельных глав каждый используемый символ имеет единственное значение, которое сразу же определяется. Большая часть использованных символов имеет одинаковое или близкое значение на протяжении всей книги. Для удобства они приведены в приложении А.
В настоящее время электроника вообще и полупроводниковые приборы в частности развиваются настолько быстро, что сегодняшние представления завтра уже могут оказаться устаревшими. Поэтому тем более важно ясно понимать фундаментальные физические процессы в полупроводниковых приборах. Это служит физической и математической основой, позволяющей специалисту самостоятельно усваивать новые идеи и методы, возникающие в нашей быстро развивающейся области. Следует отметить, что многие полупроводниковые приборы, в особенности униполярные и оптоэлектронные приборы, находятся в стадии интенсивного развития [1), и в настоящее время мы еще далеко не полностью пснимаем их предельные возможности. Настоящая книга предназначена для того, чтобы дать читателю физические основы, необходимые для самостоятельной деятельности в области полупроводниковой электроники.
Более подробные сведения по отдельным вопросам можно получить в оригинальных работах, список важнейших из которых приводится в конце каждой главы, ЛИТЕРАТУРА 1, Ь. М. Бее зегп!сопг!пс1ог Реч!се Рече1оргпеп! !и 1Ье 1970в апг! 1980в — А Регвреснче, 1ЕЕЕ Тес!ь Р!8., 1п1, Е!ес!гоп Реч!се Мее1., %ав!г1па1оп, Р. О,„ Рес„ 1980.
Часть 1 Физика полупроводников Глава 1 ФИЗИКА И СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ 1'1. ВВЕДЕ Н И Е Физика полупроводниковых приборов, естественно, определяется физическими свойствами самих полупроводниковых материалов. В данной главе содержатся самые необходимые для понимания работы полупроводниковых приборов сведения, Для более детального изучения физики полупроводников следует воспользоваться стандартными учебниками ') и обзорными статьями Данлэпа 11), Маделунга [2), Молла 13), Мосса 14! и Смита 15].
Основное внимание в главе уделено трем важнейшим полупроводниковым материалам: германию (сзе), кремнию (%) и арсе- нилу галлия (баАз). Германий и кремний — наиболее изученные в настоящее время полупроводники. В последние годы интенсивно изучается арсенид галлия, физические свойства которого отличаются от свойств кремния и германия, В частности, структура его энергетических зон, допускающая возможность прямых оптических переходов, интересна с точки зрения оптоэлектронных приложений, а междолинные переходы и высокая подвижность электронов — для генерации СВЧ-излучения. 1.2.
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА Кристаллическую решетку определяют три базисных вектора а, Ь и с, таких, что любая трансляция на вектор К = та+ пЬ+ рс, (1) представляющий собой линейную суперпозицию базисных векторов (и, а и р — целые числа), переводит кристаллическую решетку саму в себя 161. 1 Для этой цели можно рекомендовать отечественные монографии, например: В, Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников, Физика полупроводников, Наука, Москва, 1977; А. И. Ансельм, Введениевтеорию полупроводников, Наука, Москва, 1982. — Прим. перев. 12 Глава 1 Гранеиентри- рооанная кудинеска.е (Ж, ти. то1 Обьеино- иен- 1прирооанная куайнескалт 1'Уа, И' тд.) lтро вотан кудйневкан 1'Р от,д/ жнейка жнейка иинкооой од;мыми алмаза (БаГе, ОаР т,д,) (С, ое,й пт.о1' Рнс. 1 'основные элемечтар~ ые ячейки прямых решеток и кристаллическая структура ряда элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений (а — постоянная решетки).
На рис, 1 показаны построенные на базисных векторах простейшие элементарные кристаллические ячейки. Большинство важнейших полупроводников имеет кристаллическую структуру типа алмаза или цинковой обманки, которые относятся к тетраэдрическпм фазам, где каждый атом окружен четырьмя эквидистантными ближайшими соседями, расположенными в вершинах соответствующего тетраэдра. Связь между двумя ближайшими соседями обусловлена парой электронов с противоположными спинами.
Решетки алмаза и цинковой обманки можно представить как две гранецентрированные кубические решетки„сдвинутые относительно друг друга на четверть объемной диагонали элементарной ячейки. В алмазоподобных полупроводниках (таких, как кремний) в узлах той и другой подрешетки находятся атомы кремния. В решетках типа цинковой обманки (например, в арсе- ниде галлия) одну подрешетку составляют атомы галлия, а другую — атомы мышьяка, Арсенид галлия является соединением типа А"*'В"', поскольку образован элементами 111 и Ч групп периодической системы Менделеева.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
