Данный учебник написан на основе учебного пособил «Физика полупроводников», изданного в 1971 г. При написании учебника, так же как и при издании учебного пособия, автор считал, что книга по физике полупроводников должна отвечать задаче подготовки студентов, специализирующихся в области полупроводниковой техники. Поэтому наряду с достаточно высоким теоретическим уровнем .изложения, обусловливающим высокую математическую насыщенность материала, уделено большое внимание физической интерпретации явлений и результатам экспериментальных исследований на конкретных полупроводниковых материалах. При этом кроме рассмотрения фундаментальных проблем физики полупроводников проведено обсуждение ряда явлений прикладного характера, имеющих большое значение для понимания процессов, происходящих в полупроводниковых приборах.
Этими положениями и определялся отбор материала для настоящего учебника, написанного на основе курса лекций по физике полупроводников, читаемого автором для студентов специальности «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» в Московском ордена Ленина энергетическом институте.
Многолетний педагогический опыт автора показывает, что перегруженность материала сложными математическими выкладками отрицательно сказывается на прочном усвоении студентами физической стороны явлений.
Отнюдь не ратуя за излишнюю упрощенность при изложении вопросов, где строгость рассмотрения не страдает от отсутствия сложных математических выкладок, автор старался их избежать, приводя ссылки на оригинальные работы.
Автор выражает благодарность профессорам А. Н. Горбань и Ю. К. Шалабутову за ценные советы и замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи. Автор признателен доценту Л. П. Павлову, взявшему на себя труд редактирования рукописи.
Все замечания и предложения читателей просьба направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, издательство «Энергия».
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ....................... 7
Список основных обозначений ........... 8
Глава первая
ПОЛУПРОВОДНИКИ. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ....................'........ И
1-1. Классификация веществ по величине удельной проводимости.
Полупроводники ...................... 11
1-2. Модельные представления о механизме электропроводности собственных полупроводников.............- . . . 18
1-3. Модельные представления о механизме электропроводности при-
месных полупроводников
24
1-4. Элементарная теория электропроводности полупроводников . . 26
Глава вторая
ОСНОВЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ....... 29
2-1. Уравнение Шредингера для кристалла........... 29
2-2. Адиабатическое приближение и валентная аппроксимация . . 31
2-3. Одноэлектронное приближение............... 32
2-4. Приближение сильно связанных электронов........ 36
2-5. Число состояний электронов в энергетической зоне...... 42
2-6. Кваз и импульс....................... 45
2-7. Зоны Бриллюэна.................... 46
2-8. Возможное заполнение электронных состояний валентной зоны 48 2-9. Зависимость энергии электрона от волнового вектора у дна и
потолка энергетической зоны............... 50
2-10. Движение электронов в кристалле под действием внешнего
электрического поля ..............•..... 54
2-11. Эффективная масса носителей заряда.......... . 60
2-12. Циклотронный резонанс ................. 67
2-13. Зонная структура некоторых полупроводников....... 68
2-14. Метод эффективной массы ................ 74
2-15. Элементарная теория примесных состояний ......... .76
Глава третья
КОЛЕБАНИЯ АТОМОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ..... 79
3-1. Одномерные колебания однородной струны......... 79
3-2. Колебания одноатомной линейной цепочки......... 81
3-3. Кинетическая и потенциальная энергия одномерной решетки.
Нормальные координаты................. 85
3-4. Колебания двухатомной линейной цепочки ......... 87
3-5. Колебания атомов трехмерной решетки........... 91
3-6. Статистика фонопов............;...... 94
3-7. Теплоемкость кристаллической решетки.......... 96
3-8. Тепловое расширение и тепловое сопротивление твердого тела 102
Глава четвертая
СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ И ДЫРОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ 105
4-1. Плотность квантовых состояний..............105
4-2. Функция распределения Ферми—Дирака..........109
4-3. Степень заполнения примесных уровней...........111
4-4. Концентрация электронов и дырок.............ИЗ
4-5. Примесный полупроводник................116
4-6. Собственный полупроводник...............124
4-7. Зависимость положения уровня Ферми от концентрации примеси •
и температуры для невырожденного полупроводника.....128
4-8. Зависимость положения уровня Ферми от температуры для невырожденного полупроводника с частично компенсированной
примесью.........................136
4-9. Примесные зоны .....................140
Глава пятая
МЕХАНИЗМЫ РАССЕЯНИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
В ПОЛУПРОВОДНИКАХ....................144
5-1. Кинетическое уравнение Больцмана.............144
5-2. Равновесное состояние..................150
5-3. Время релаксации....................150
5-4. Эффективное сечение рассеяния. Типы центров рассеяния . . . 154
5-5. Рассеяние на ионах примеси................156
5-6. Рассеяние на атомах примеси и дислокациях.........161
5-7. Рассеяние на тепловых колебаниях решетки.........162
Глава шестая
КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ......170
6-1. Неравновесная функция распределения ..........170
6-2. Удельная проводимость полупроводников ......... 173
6-3. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры . 176
6-4. Эффект Холла .....................181
6-5. Эффект Холла в полупроводниках с двумя типами носителей
заряда..........................185
6-6. Магниторезистивный эффект ...............190
6-7. Термоэлектрические явления .............. 195
6-8. Теплопроводность полупроводников ............203
6-9. Электропроводность полупроводников в сильном электрическом поле........................205
6-10. Эффект Ганна......................211
6-11. Ударная ионизация...................215
6-12. Туннельный эффект и электростатическая ионизация .... 218
Глава седьмая
ГЕНЕРАЦИЯ И РЕКОМБИНАЦИЯ НЕРАВНОВЕСНЫХ
НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА.......................221
7-1. Равновесные и неравновесные носители заряда........221
7-2. Биполярная световая генерация носителей заряда.....224
7-3. Монополярная световая генерация. Максвелловское время релаксации ..................... .... 226
7-4. Виды рекомбинации...................228
7-5. Межзонная излучательная рекомбинация..........229
7-6. Межзонная ударная рекомбинация.............234
7-7. Рекомбинация носителей заряда через рекомбинационные ловушки...........................236
7-8. Температурная зависимость времени жизни носителей заряда
при рекомбинации через рекомбинационные ловушки.....243
7-9. Ловушки захвата и рекомбинационные ловушки....... 246
Глава восьмая
ДИФФУЗИЯ И ДРЕЙФ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА 249
8-1. Уравнение непрерывности.................249
8-2. Диффузионный и дрейфовый токи..............251
8-3. Соотношение Эйнштейна.................253
8-4. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда в случае
монополярной проводимости...............254
8-5. Диффузия н дрейф неосновных избыточных носителей заряда
в примесном полупроводнике ............... 257
8-6. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда в полупроводнике с проводимостью, близкой к собственной .......262
Глава девятая
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ.......266
9-1. Полупроводник во внешнем электрическом поле.......266
9-2. Работа выхода.....................270
9-3. Контакт металл—металл. Контактная разность потенциалов 273
9-4. Контакт металл—полупроводник..............276
9-5. Выпрямление на контакте металл—полупроводник.....280
9-6. Диодная теория выпрямления ...............283
9-7. Диффузионная теория выпрямления ............286
9-8. Контакт электронного и дырочного полупроводников .... 288
9-9. Выпрямление на р-п переходе...........Г ... 293
9-Ю. Теория тонкого р-п перехода...............295
Глава десятая
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ.....301
10-1. Природа поверхностных уровней.............301
10-2. Теория слоя пространственного заряда...........304
10-3. Эффект поля......................309
10-4. Поверхностная рекомбинация..............317
10-5. Влияние поверхностной рекомбинации на время жизни носителей заряда......................320
Глава одиннадцатая
ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА ПОЛУПРОВОДНИКАМИ.........323
11-1. Спектр отражения и спектр поглощения..........323
11-2. Собственное поглощение при прямых переходах.......325
11-3. Собственное поглощение при непрямых переходах......330
П-4. Собственное поглощение сильно легированного полупроводника ..........................335
11-5. Влияние внешних воздействий на собственное поглощение полупроводников .....................337
11-6. Экситонное поглощение.................345
11-7. Поглощение свободными носителями заряда........349
11-8. Примесное поглощение.................356
11-9. Решеточное поглощение.................357
Глава двенадцатая
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ...........359
12-1. Типы люминесценции..................359
12-2. Мономолекулярное свечение твердых тел .•.........360
12-3. Рекомбинационное излучение полупроводников при фундаментальных переходах...................361
12-4. Рекомбинационное излучение при переходах между зоной и
примесными уровнями..................366
12-5. Релаксация люминесценции полупроводников.......370
12-6. Температурное тушение люминесценции полупроводников . . 371
12-7. Спонтанное и вынужденное излучение атома........372
12-8. Стимулированное излучение твердых тел..........377
Глава тринадцатая
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ . . 383
13-1. Внутренний фотоэффект.................383
13-2. Фотопроводимость ...................387
13-3. Релаксация фотопроводимости..............390
13-4. Фотопроводимость при наличии поверхностной рекомбинации
и диффузии носителей заряда...............393
13-5. Эффект Дембера.....................395
13-6. Фотоэлектромагнитный эффект ,.............396
13-7. Фотовольтаический эффект в р-п переходах.......! 399
13-8. Фотовольтаический эффект на барьере Шоттки..... 404
13-9. Внешний фотоэффект................ 405
Приложения.......................408
I. Физические константы............ 408
II. Свойства Ge, Si и GaAs (при 300 К) .....'.'.'." .' .' .' * .'409
III. Свойства полупроводников................410
Предметный указатель.................* 412 -
Цена: 150руб.
