Основные свойства полупроводников

ЭЛЕКТРОНИКА

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия

Часть 1

Новосибирск

УДК 621.38(075.8)

Р 173

Рецензент: д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев

Разинкин, В.П.

Р 173 Электроника : учеб. пособие / В.П. Разинкин, И.С. Тырышкин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – Ч. 1. – 48 с.

ISBN 5-7782-0657-7

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям Радиотехника и Телекоммуникации, и включает в себя четыре раздела.

В разделе «Электрофизические свойства полупроводников» дано описание физических процессов, проходящих в полупроводниковых материалах. Раздел «Оптические свойства полупроводников» посвящен явлениям, которые имеют место при взаимодействии полупроводников с электромагнитными излучениями. В разделе «Контактные явления» основное внимание уделяется свойствам p-n-переходов. Вместе с тем дается описание других полупроводниковых структур: металл-полупроводник, гетеропереходы, МДП. В разделе «Типовые технологические процессы» перечислены основные технологические операции, проводимые при обработке полупроводниковых материалов. Даны их краткие характеристики.

УДК 621.38(075.8)

ISBN 5-7782-0657-7© Разинкин В.П., Тырышкин И.С., 2006

© Новосибирский государственный

технический университет, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. электрофизические свойства полупроводников..................... 5

1.1. Основные свойства полупроводников.................................... 5

1.2. Дефекты кристаллической решетки....................................... 6

1.3. Носители электрического заряда............................................ 7

1.4. Энергетические уровни и зоны............................................. 10

1.5. Переходы носителей заряда между зонами и уровнями..... 12

1.6. Концентрация носителей заряда........................................... 13

1.7. Время жизни носителей заряда............................................. 16

1.8. Электропроводность полупроводников............................... 17

1.9. Зависимость концентрации носителей заряда и положения
уровня Ферми от температуры............................................ 18

1.10. Зависимость подвижности носителей заряда
и удельной проводимости от температуры......................... 20

1.11. Эффект поля........................................................................ 21

2. Оптические свойства полупроводников................................. 23

2.1. Поглощение света................................................................. 23

2.2. Люминесценция полупроводников....................................... 24

2.3. Фоторезистивный эффект..................................................... 25

2.4. ЭДС в полупроводнике......................................................... 26

3. Контактные явления.................................................................. 27

3.1. Электронно-дырочный переход........................................... 27

3.2. Ток через p–n-переход.......................................................... 28

3.3. Прямое включение p–n-перехода......................................... 29

3.4. Обратное включение p–n-перехода...................................... 29

3.5. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного
p–n-перехода......................................................................... 30

3.6. Зонная (энергетическая) диаграмма p–n-перехода.............. 30

3.7. Отличия ВАХ реального и идеализированного
p–n-переходов....................................................................... 32

3.8. Пробой p–n-перехода............................................................ 33

3.9. Зависимость ВАХ p–n-перехода от температуры............... 34

3.10. Зависимость ВАХ p–n-перехода от материала
полупроводника.................................................................... 35

3.11. Емкость p–n-перехода......................................................... 36

3.12. Контакт металл–полупроводник........................................ 37

3.13. Гетеропереходы.................................................................. 39

3.14. Структура металл–диэлектрик–полупроводник................ 40

4. Типовые технологические процессы....................................... 42

4.1. Подготовительные операции................................................ 42

4.2. Эпитаксия............................................................................... 42

4.3. Термическое окисление........................................................ 43

4.4. Диффузия............................................................................... 44

4.5. Ионная имплантация............................................................. 44

4.6. Травление............................................................................... 45

4.7. Техника масок........................................................................ 46

4.8. Металлизация........................................................................ 46

Список литературы.......................................................................... 47

1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Основные свойства полупроводников

Полупроводник – вещество, основным свойством которого является сильная зависимость удельного сопротивления от воздействия внешних факторов: температуры, электрического и магнитного полей, светового и ионизирующего излучения.

При комнатной температуре удельное сопротивление полупроводников лежит в пределах от 10^–4 до 10¹⁰ Ом·см. Полупроводники, как правило, твердые тела с регулярной кристаллической структурой – монокристаллы. Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера. Например, у германия (Ge) и кремния (Si) решетка состоит из тетраэдров с расстоянием между смежными атомами около 0,25 нм.

Связь атомов в кристаллической решетке обусловлена специфическими силами, возникающими в результате попарного объединения валентных электронов смежных атомов. Такая связь (при которой каждый из атомов остается нейтральным) называется ковалентной.

Регулярность структуры кристалла приводит к зависимости его свойств от направления в кристаллической решетки, т. е. анизотропии. Направление в решетке принято задавать с помощью кристаллографических осей и кристаллографических плоскостей. Эти оси и плоскости обозначают трехзначными индексами Миллера.

Применительно к простейшей кубической решетке соотношения между кристаллическими плоскостями и индексами Миллера приведены на рис. 1.1.

Кроме кристаллических существуют аморфные вещества, т.е. бесструктурные. Их характерная особенность – отсутствие однозначной температуры плавления: переход от жидкого состояния к твердому осуществляется плавно и сопровождается постепенным увеличением вязкости. Так же плавно происходит переход от твердого состояния к жидкому.

Рис. 1.1. Кристаллографические плоскости

Типичными представителями являются разного рода стекла, в том числе обычное стекло на основе двуокиси кремния (SiO₂).

Из числа полупроводников к аморфным телам относятся халькогенидные стекла – соединения кремния с халькогенидными элементами: вольфрамом, теллуром и др. Производство аморфных полупроводников значительно дешевле и проще, чем монокристаллических. Кроме того, они меньше подвержены радиационным эффектам. Однако из-за плохой воспроизводимости и стабильности свойств они находят ограниченное применение.