Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Основы полупроводниковой электроники

Учебное пособие для вузов
Покупка
Артикул: 063734.02.01
Игумнов, Д. В. Основы полупроводниковой электроники: Учебное пособие для вузов / Д.В. Игумнов, Г.П. Костюнина. - 2-e изд., доп. - Москва : Гор. линия-Телеком, 2011. - 394 с.: ил.; . - (Специальность). ISBN 978-5-9912-0180-3, 1000 экз. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/315879 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Д. В. Игумнов
Г. П. Костюнина
ОСНОВЫ 
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ 
ЭЛЕКТРОНИКИ

2-е издание, 
дополненное

Допущено УМО по образованию 
в области прикладной информатики 
в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 
«Прикладная информатика» и другим 
междисциплинарным специальностям

Москва
Горячая линия - Телеком
2011

621.396.6 
32.852 
28

: .-. , . . . , . . . ., . .
28      . . – 2-., . – .: – ,
2011. –  394 .: .
ISBN 978-5-9912-0180-3.
. , , . . . (1995 .) , «» «». 
, , , .
32.852 
WWW.TECHBOOK.RU

, 2-, . . . . -. . 02.03.11.  6090 1/16., . . . 24,5.  . 110180.  1000 (1-500 .)

ISBN 978-5-9912-0180-3                    © . . , . . , 2011 
               ©  «–», 2011 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Электроникой принято называть широкую область науки и техники, охватывающую изучение процессов переноса и взаимодействия электрических зарядов в материалах и приборах, изготовленных на их основе, разработку этих приборов и создание
устройств обработки и хранения информации, а также общие вопросы применения электронных устройств. В электронике можно
выделить ряд основных направлений: физическую электронику,
прикладную информационную электронику, энергетическую промышленную электронику и др. Конечно, особо следует представить одну из лидирующих в современном развитии среди областей электроники – микроэлектронику, являющуюся основной
частью полупроводниковой электроники. Именно благодаря микроэлектронике на сегодняшний день трудно найти область науки
и техники, где электроника еще не нашла своего применения.
Однако современный уровень развития требует все большего
насыщения различными электронными устройствами научноисследовательских, оборонных, промышленных и других объектов.
История электроники относительно коротка. Предтечей ее
следует считать открытие радио нашим соотечественником
А. С. Поповым в 1895 г. Один из первых значительных шагов на
пути развития электроники сделал американский изобретатель
Л. де Форест, предложивший в 1906 г. первый усилительный электронный элемент – ламповый триод. В 1920 г. О. В. Лосевым был
впервые использован полупроводниковый элемент для получения усиления и генерации электрических сигналов. Примерно со
времени этого события происходит постепенное нарастание интересов к полупроводниковой электронике, и хотя практически
она остается «чисто ламповой», все больше и больше выполняется интересных исследований по физике полупроводников
и полупроводниковых элементов, среди которых одно из ведущих мест занимали работы   А. Ф. Иоффе и его учеников. Из работ
этого периода развития электроники следует отметить статью
немецкого физика В. Шотки, разработавшего теорию контакта
металлполупроводник, который широко используется в совре4

менной полупроводниковой электронике. Особо выделим основополагающее изобретение американского инженера Г. Блэка по
использованию отрицательной обратной связи. Сейчас ясно любому электронщику, что без отрицательных обратных связей даже
невозможно представить себе современную электронику. Однако тогда, в 1928 г., патентное ведомство США назвало это фундаментальное предложение «глупой затеей».
В 1948 г. американские физики Дж. Бардин и В. Браттейн обнаружили эффект усиления тока в полупроводниковой структуре
с двумя рn переходами. Это революционное событие в электронике привело к созданию В. Шокли биполярного транзистора –
основного и на сегодняшний день активного (усилительного) элемента полупроводниковой электроники. В дальнейшем электроника стала развиваться очень быстрыми темпами: ежегодно
появлялись новые типы полупроводниковых приборов, улучшалась технология их изготовления, создавались различные устройства информационной и энергетической электроники и т.д.
Электроника становится незаменимой помощницей во многих областях производства и науки, обороны и космических исследований. В конце шестидесятых годов появляются первые изделия
микроэлектроники – интегральные схемы (микросхемы), которые
быстро совершенствовались и стали основными изделиями современной электроники.
Современная электроника – это полупроводниковая электроника. Сегодняшний этап ее развития характеризуется быстро
растущей степенью интеграции; уже созданы интегральные схемы, содержащие на одном полупроводниковом кристалле более
106 элементов. В перспективе развития полупроводниковой электроники намечается функциональное укрупнение конструктивных
единиц за счет использования новых физических явлений, позволяющих с помощью простых нерасчленяемых структур осуществить функции, обычно реализуемые с помощью многоэлементной сложной цепи или устройства. Реализация такого принципа
соответствует появлению новых типов изделий полупроводниковой электроники. Они и представляют собой новый этап развития электроники – функциональную электронику.
Каждый технически грамотный человек должен знать электронику. Посильный вклад в решение этой задачи стремятся внести и авторы настоящей книги. Ее материал изложен в достаточно
краткой форме. Книга предназначается для широкого круга ин5

женернотехнических специалистов смежных с электроникой
областей, которые занимаются вопросами, требующими от них
дополнительных знаний по электронике. В настоящей книге
авторы стремились изложить материал таким образом, чтобы,
сохранив известную строгость, дать возможность сравнительно
легко разобраться в нем лицам, которые не получили фундаментальной подготовки по физике и электротехнике. Она может быть
использована и как дополнительное учебное пособие для студентов соответствующих факультетов вузов и техникумов.
Предлагаемая вниманию читателей книга содержит 17 глав.
В первых пяти главах сообщаются необходимые сведения о полупроводниковых элементах, на основе которых выполняются современные электронные устройства. Последующие пять глав посвящены рассмотрению разнообразных, прежде всего микроэлектронных усилителей. В гл. 11 описаны частотноизбирательные устройства, а в гл. 12 – вторичные источники электропитания. Последние пять глав посвящены устройствам дискретного
действия: транзисторным ключам, логическим элементам, устройствам памяти, генераторам импульсных сигналов и некоторым цифровым устройствам. В книге использованы фрагменты
лекций, читаемых авторами в течение многих лет в Московском
институте радиотехники, электроники и автоматики.
Авторы благодарны Бабенко В. П., Дрожжеву В. В., Изъюровой Г. И., Королеву Г. В., Левинсону Г. Р. и   Матсону Э. А. за критические замечания и советы, сделанные при обсуждении отдельных
разделов книги.

Глава 1. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНЫХ
ПЕРЕХОДОВ

1.1. СТРУКТУРА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В абсолютном большинстве случаев устройства современной
электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. Полупроводниками обычно называют материалы, удельное
сопротивление которых больше, чем у проводников (металлов),
но меньше, чем у изоляторов (диэлектриков). Сразу следует заметить, что различие между полупроводниками и диэлектриками только количественное, тогда как различие между полупроводниками и металлами более принципиальное – качественное.
Полупроводники являются разновидностью диэлектриков: можно сказать, что они являются диэлектриками с уменьшенным
удельным сопротивлением, тогда как с металлами у них значительно меньше общего.
Для того чтобы представить особенности полупроводниковых
материалов, следует рассмотреть их структуру и энергетические зоны.
Любое твердое тело представляет собой множество атомов,
сильно взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям. Эти расстояния минимальны у металлов и максимальны у диэлектриков. Однако в любом случае всю
совокупность атомов в куске твердого тела следует рассматривать как единую целую структуру, которая подобно атому характеризуется некоторым единым энергетическим спектром.
Особенность этого спектра в том, что он состоит из дискретных
разрешенных зон.
Строго говоря, разрешенные зоны сами имеют дискретную
структуру и состоят из большого числа разрешенных уровней
(равного числу атомов в рассматриваемом образце), но энергетические расстояния между ними малы (~10–22 эВ), поэтому иногда разрешенные зоны можно считать сплошными.

На рис. 1.1 приведена зонная диаграмма для
полупроводника. Прежде всего следует обратить
внимание на запрещенную зону (зону запрещенных энергий), которая разделяет разрешенные
зоны. Отметим, что у диэлектриков ширина запрещенной зоны больше, чем у полупроводников,
а у металлов разрешенные зоны сливаются, так
что запрещенной зоны у них нет. Ширина запрещенной зоны εз, определяющая энергетический
промежуток запрещенных энергий, является
важнейшим параметром полупроводника. Для наиболее часто
используемых в электронике полупроводников германия, кремния и арсенида галлия ширина запрещенной зоны равна соответственно 0,7; 1,1 и 1,4 эВ.
Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости.
Электроны, находящиеся в этой зоне, обладают довольно большой энергией и могут ее изменять под действием электрического поля, перемещаясь в объеме полупроводника. Электропроводность полупроводника и определяется этими электронами.
Нижняя разрешенная зона называется валентной зоной. Энергетические уровни этой зоны обычно заполнены электронами
внешней оболочки атомов – внешних устойчивых орбит (валентными электронами). При наличии свободных уровней в валентной зоне электроны также могут изменять свою энергию под
действием электрического поля. Если же все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не смогут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.
Рассмотрим теперь структуру собственного (беспримесного)
полупроводника. Монокристаллические полупроводники представляют собой кристаллы с регулярной структурой. Кристаллическая решетка кремния (германия) называется тетраэдрической
или решеткой типа алмаза. Она характерна для всех четырехвалентных элементов. Для определенности будем рассматривать
структуру кремния. Это справедливо хотя бы потому, что приблизительно 97 % всех изделий полупроводниковой электроники на
сегодняшний день выполняются на основе кремния.
Связь атомов в кремнии устанавливается вследствие наличия
специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных электронов. У соседних атомов кремния появляются общие орбиты, на которых в соответствии с фундаменЗона
проводимости

Запрещенная
зона

Валентная
зона

εЗ

ε

Рис. 1.1

тальным положением физики, называемым принципом запрета
Паули, находится не более двух электронов. Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, то он использует эти
электроны для связи с четырьмя другими атомами, которые,
в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырех соседних атомов. Таким
образом, получается, что любой атом кремния связан с каждым
из четырех соседних атомов общей орбитой, причем на этой общей орбите находится два электрона. Такая связь атомов называется парноэлектронной или ковалентной.
На рис. 1.2 приведена упрощенная модель решетки (а) и зонная энергетическая диаграмма (б) для беспримесного кремния.
На этом рисунке между каждыми двумя атомами кремния проведены две связывающие их прямые линии. Каждая такая линия
символизирует собой наличие электрона на общей орбите у этих
атомов. Ее принято называть связью (валентной связью). Валентный электрон, находящийся в такой связи, по энергии расположен в валентной зоне.
Электроны во всех связях будут присутствовать только при
температуре абсолютного нуля. По мере нагревания полупроводника происходит нарушение связей, т.е. некоторые валентные
электроны получают от тепла энергию, необходимую для их перехода в зону проводимости (рис. 1.2, б). Такой переход соответствует ионизации связи и выходу из нее электрона (рис. 1.2, а).
Появившиеся свободные электроны будут принимать участие
в образовании тока в полупроводнике (при приложении напряжения к полупроводнику).
Появление вакантных уровней в валентной зоне свидетельствует о том, что для валентных электронов появляется возможность изменять свою энергию
(переходить с одного разрешенного уровня валентной
зоны на другой), а следовательно, участвовать в процессе протекания тока через полупроводник. С повышением
температуры возрастает число свободных электронов
в зоне проводимости и число
вакантных уровней в валентε

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

а)
б)

Рис. 1.2

ной зоне. Заметим, что этот процесс будет проходить интенсивнее в полупроводниках с узкой запрещенной зоной.
Вакантный энергетический уровень в валентной зоне и соответственно ионизированную валентную связь принято называть
дыркой. Дырка является подвижным носителем положительного
заряда, равного по модулю заряду электрона. Перемещение дырки (положительного заряда) соответствует встречному перемещению валентного электрона (из связи в связь). Движение дырки есть поочередная ионизация валентных связей.
Отметим, что процесс образования свободного электрона
и дырки принято называть генерацией. Поскольку в рассматриваемом случае генерация происходит под действием тепла, то
ее можно назвать термогенерацией.
Появление электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне на энергетической диаграмме (см. рис. 1.2, б) представлено в виде кружочков с соответствующими знаками зарядов.
Стрелкой обозначен переход электрона из валентной зоны в зону
проводимости.
Таким образом, за счет термогенерации в собственном (беспримесном) полупроводнике, который принято обозначать буквой i, образуются два типа подвижных носителей заряда: свободные электроны п и дырки р, причем их число одинаково (ni = pi).
Эти носители заряда иногда называют собственными, а электропроводность, ими обусловленную, – собственной электропроводностью. В полупроводниковой электронике, в отличие от
собственной электропроводности, наиболее часто используют
примесную электропроводность, характерную для примесных полупроводников.

1.2. ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Примесными полупроводниками принято называть полупроводники, электропроводность которых обусловлена носителями
заряда, образующимися при ионизации атомов. Если в кремний
ввести атом пятивалентного элемента (например, фосфора), то
четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступят
в связь с четырьмя соседними атомами кремния (подобно атомам собственного полупроводника). Пятый же электрон будет
в данном случае избыточным. Он оказывается очень слабо связанным со своим атомом, поэтому оторвать его от атома и пре10

вратить в свободный носитель заряда можно даже
при воздействии малой тепловой энергии.
На энергетической диаграмме, соответствующей рассматриваемому случаю (рис. 1.3), обозначен разрешенный энергетический уровень εд, который принес с собой атом фосфора. На этом
уровне при очень низкой температуре и будет
находиться избыточный электрон фосфора. При
незначительном повышении температуры он
переходит в зону проводимости и становится свободным. Нейтральный атом фосфора при этом превращается в положительный
ион (его заряд обусловлен отсутствием валентного электрона).
Количество энергии, необходимое для отделения избыточного
электрона и образования иона, называется энергией активации
(ионизации) примеси (∆εд ≈ 0,1 эВ). Отметим, что ион прочно связан с кристаллической решеткой и не может перемещаться подобно дырке.
Таким образом, появление в кремнии атома фосфора привело к образованию в зоне проводимости свободного электрона.
Образование данного электрона не связано с существованием
дырки.
В реальных случаях вводится, конечно, далеко не единственный атом примеси (1014...1018 атомов/см3), поэтому и примесных уровней получается довольно много. Примесные уровни
образуют примесную зону, которая в рассматриваемом здесь
случае будет находиться в запрещенной зоне кремния вблизи
зоны проводимости.
Атомы пятивалентной примеси принято называть донорами.
Примесные разрешенные уровни, приносимые донорами, называют донорными. Примесные полупроводники, полученные за
счет введения доноров, называются электронными, или полупроводниками nтипа. Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь
являются основными носителями заряда. Дырки в полупроводнике nтипа являются неосновными носителями заряда. Дырок
здесь очень мало (nn >> рn), но они всетаки есть (дырки образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям
в беспримесном полупроводнике).
Итак, за счет введения донорной примеси образуется электронный полупроводник, электропроводность которого опредеε

∆εД
εД

Рис. 1.3

ляется электронами, причем число свободных электронов практически равно числу ионизированных доноров.
Рассмотрим теперь дырочный полупроводник, или полупроводник ртипа. Такой полупроводник получается за счет введения в него трехвалентных атомов примеси (например, бора). Атомы трехвалентной примеси принято называть акцепторами.
Находясь среди атомов кремния, атом бора образует только
три заполненные валентные связи. Четвертая связь оказывается
незаполненной, однако она не несет заряда, т.е. атом бора является электрически нейтральным. При воздействии даже небольшой тепловой энергии электрон одной из соседних заполненных
валентных связей кремния может перейти в эту связь. Во внешней оболочке атома бора появляется лишний электрон, т.е. атом
бора превращается в отрицательный ион. Ионизированная связь
атома кремния (из которой электрон перешел к атому бора) несет собой уже положительный заряд, являясь дыркой.
На энергетической диаграмме, соответствующей рассматриваемому здесь случаю (рис. 1.4),
обозначен разрешенный энергетический (акцепторный) уровень εA, который принес с собой атом
бора. Этот уровень будет не заполнен лишь при
очень низкой температуре. При небольшом повышении температуры один из электронов валентной зоны переходит на акцепторный уровень, затратив при этом небольшую энергию, равную энергии активации примеси (∆εд ≈ 0,1 эВ). Таким образом, получаются дырка (в валентной зоне) и ионизированный
акцептор.
Электропроводность дырочного полупроводника определяется дырками, которые здесь являются основными носителями заряда. Электроны в полупроводнике ртипа являются неосновными носителями и их очень мало (pp >> np). Итак, за счет введения
и активации акцепторной примеси образуется дырочный полупроводник, электропроводность которого определяется дырками, причем число их практически равно числу ионизированных
акцепторов.
При рассмотрении примесных полупроводников обычно используют понятие «концентрация примеси». Концентрацией называется число зарядов или частиц в единичном объеме (например, в 1 см3). Понятно, что чем больше концентрация доноров

ε

∆εA
εA

Рис. 1.4

Nд, тем больше и концентрация электронов, а чем больше концентрация акцепторов NA, тем больше концентрация дырок в полупроводнике.
Если оба типа примеси находятся в равном количестве (Nд =
= NА), такой полупроводник принято называть компенсированным. Компенсированный проводник похож на собственный (nк =
= pк), но имеет ряд интересных свойств и отличий.
Необходимо отметить, что рассмотренные выше процессы
являются, вообще говоря, обратимыми. Наряду с переходами
электронов с нижних энергетических уровней на более высокие
происходят и обратные переходы. Особое внимание обратим на
то, что одновременно с генерацией пар «электрондырка» происходит и обратный процесс – процесс взаимного уничтожения
свободного электрона и дырки, который принято называть рекомбинацией (свободный электрон переходит из зоны проводимости
в валентную зону). При некоторой установившейся температуре
полупроводник находится в состоянии термодинамического равновесия. Процесс генерации уравновешивается процессом рекомбинации.
Одним из основных параметров полупроводника является уровень Ферми, вероятность заполнения которого при температуре, отличной от абсолютного нуля, равна 0,5. Энергетический
уровень Ферми представляет собой среднюю термодинамическую энергию тела на один электрон. Фундаментальное положение физики указывает, что уровень Ферми одинаков во всех частях равновесной системы, какой бы разнородной она ни была.
Для собственных полупроводников уровень Ферми проходит
по середине запрещенной зоны. В электронном полупроводнике
в сравнении с собственным имеется большое число электронов
в зоне проводимости, т.е. средняя энергия электронов (и всего
полупроводника) здесь будет выше. Следовательно, в электронном полупроводнике уровень Ферми должен находиться выше
середины запрещенной зоны, причем чем больше концентрация
доноров, тем выше будет располагаться уровень Ферми. Аналогично можно заключить, что в дырочном полупроводнике уровень
Ферми должен быть ниже середины запрещенной зоны, причем
тем ниже, чем больше концентрация акцепторов.
Необходимо отметить, что помимо рассмотренных здесь примесных полупроводников в электронике находят применение
и так называемые вырожденные полупроводники. У таких полу13

проводников уровень Ферми обычно располагается в разрешенных зонах: в зоне проводимости для электронного и в валентной
зоне для дырочного полупроводника. На практике обычно используются вырожденные полупроводники с сильной степенью вырождения (например, в туннельных диодах), получаемые за счет значительного повышения концентрации примеси (109...1021 см–3).

1.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Выше были уже рассмотрены некоторые параметры полупроводников, в том числе и самый важный – ширина запрещенной
зоны. В этом разделе остановимся на параметрах, в той или иной
степени влияющих на электропроводность полупроводника.
Эти параметры часто используются при описании принципа действия и характеристик многих элементов полупроводниковой
электроники.
Вторым по значимости параметром полупроводника (после
εз), пожалуй, является подвижность носителей заряда µ. Подвижность носителей по определению есть их средняя направленная
скорость в полупроводнике при напряженности электрического
поля Е = 1 В/см.
Как правило, подвижность электронов µn всегда больше подвижности дырок µp. Это объясняется большей инерционноcтью
дырок (соответствующей инерционности валентного электрона),
чем свободного электрона. Наиболее значительно это проявляется у арсенида галлия. Чем больше подвижность, тем больше
скорость движения носителей и тем выше быстродействие полупроводникового элемента. Отсюда становится понятым преимущество высокочастотных элементов, изготовленных из электронного арсенида галлия.
Подвижность носителей заряда зависит от ряда факторов,
важнейшим из которых является температура. Зависимость µ oт
температуры определяется механизмом рассеяния носителей.
Поскольку с повышением температуры увеличивается интенсивность колебания атомов кристаллической решетки, то возрастает и число столкновений в единицу времени, следовательно, наблюдается падение подвижности носителей. Для кремния nтипа
можно записать

µ = µ0(T0/T)3/2,
(1.1)

где µ0 – подвижность носителей при начальной (комнатной) температуре Т0. Аналогичные зависимости имеют место и для других полупроводниковых материалов; отличие заключается только в величинах показателя степени.
Подвижность носителей заряда в примесных полупроводниках обычно уменьшается с повышением концентрации примесей,
причем степень влияния концентрации примесей на µ возрастает при ее увеличении. При очень больших напряженностях электрического поля (больших значениях критической напряженности Eкр) подвижность уменьшается по закону

µ = µ0√
_
Е
_

к
_

р
_
/
_
Е.
(1.2)

Здесь µ0 – подвижность носителей заряда при E = Екр (для кремния nтипа, например, Екр = 2,5 кВ/см).
Подвижность носителей заряда связана с другим параметром
полупроводника – коэффициентом диффузии D – соотношением, которое принято называть соотношением Эйнштейна:

D = ϕтµ,

где ϕт = kТ/q – тепловой потенциал, который при комнатной температуре приближенно равен 26 мВ; k – постоянная Больцмана:
q – заряд электрона. Коэффициенты D, так же как и подвижности,
имеют разные значения для электронов и дырок, причем Dn > Dp.
Еще одним важным параметром полупроводника является
время жизни τ. Временем жизни носителя заряда следует назвать
время от его генерации до рекомбинации. Это время во многом
определяет длительность переходных процессов в элементах
полупроводниковой электроники. Рекомбинация является основным процессом, определяющим величину τ. Различают непосредственную рекомбинацию и рекомбинацию через ловушки. Непосредственной рекомбинацией называют переход электрона из
зоны проводимости непосредственно в валентную зону, где он
занимает вакантный уровень и уничтожает дырку. В некоторых
элементах, выполненных на основе арсенида галлия и некоторых
других полупроводников, непосредственная рекомбинация может играть важную роль (см. разд. 2.8). Однако в таких полупроводниках, как германий и кремний, непосредственная рекомбинация маловероятна.
В большинстве практических случаев главную роль играет рекомбинация через ловушки (рис. 1.5). Ловушками называются