119 Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1981.—431 с., ил.
Перед загл. авт.: Пасынков В. В., Чиркин-Л. К., Шинков А. Д.
В пер.: 1 р. 30 к.
В книге изложена физика полупроводниковых приборов и элементов интегральных микросхем, рассмотрены их основные свойства, характеристики и параметры, в отличие от первых двух изданий включены вопросы конструктивно-технологических особенностей полупроводниковых приборов в интегральном исполнении и общие принципы микроэлектроники.
Предназначается для студентов специальности «Полупроводники и диэлектрики».
ПРЕДИСЛОВИЕ
Содержание учебника соответствует программе, утвержденной MB и ССО СССР. Книга может быть использована не только в качестве учебника для студентов по специальности «Полупроводники и диэлектрики», но и в качестве учебного пособия для студентов других радиотехнических и электротехнических специальностей. Поэтому в первой главе книги изложены основные сведения по физике полупроводников в объеме, необходимом для понимания принципа действия различных полупроводниковых приборов и элементов интегральных микросхем.
По сравнению со вторым изданием в учебник введены новые главы и расширены главы, в которых рассмотрены наиболее перспективные полупроводниковые приборы. В последнее время полупроводниковые приборы применяют не только как дискретные элементы, но и как элементы интегральных микросхем. Поэтому в учебнике рассмотрены конструктивно-технологические особенности полупроводниковых приборов в интегральном исполнении и общие принципы микроэлектроники. Однако вопросы технологии изготовления полупроводниковых приборов и особенно интегральных микросхем изложены только в объеме, необходимом для понимания принципа действия, свойств и характеристик полупроводниковых приборов, так как подробно изучаются в других последующих курсах.
Учебник написан на основе опыта чтения курсов «Электронные приборы и микроэлектроника», «Физика полупроводниковых приборов» и аналогичных курсов близких названий в Ленинградском ордена Ленина электротехническом институте им. В. И. Ульянова (Ленина).
Авторы весьма признательны рецензентам настоящего учебника — коллективу кафедры микроэлектроники Минского радиотехнического института, возглавляемой чл.-корр. АН БССР В. А. Лабуновым, замечания и советы которых оказали существенное влияние на построение и содержание учебника.
Приносим глубокую благодарность сотрудникам кафедры диэлектриков и полупроводников Ленинградского ордена Ленина электротехнического института им. В. И. Ульянова (Ленина) за детальное обсуждение рукописи учебника.
Замечания и пожелания просим направлять по адресу: 103051, Москва, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа».
Авторы
4*
ВВЕДЕНИЕ
В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года» ста-вит^я задача обеспечить поступательный рост экономики, настойчиво повышать эффективность производства на основе его всесторонней интенсификации и обеспечить дальнейшее ускорение научно-технического прогресса.
Научно-технический прогресс немыслим без электроники. Интенсивное развитие электроники связано с появлением новых разнообразных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, которые находят широкое применение в вычислительной технике, автоматике, радиотехнике и телевидении, в установках измерительной техники, медицины, биологии и т. д.
Полупроводниковые приборы в виде точечных диодов, или, как их раньше называли, кристаллических детекторов, применяли еще в первых электронных установках. Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми соединениями были обнаружены в 1874 г. А. С. Поповым в 1895 г. при изобретении радио был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых систем. В 1922 г. О. В. Лосев использовал отрицательное дифференциальное сопротивление, возникающее при определенных условиях на точечных контактах металла с полупроводником, для генерации и усиления высокочастотных электромагнитных колебаний. Кроме того, им было обнаружено свечение кристаллов карбида кремния при прохождении чгока через точечный контакт.
Однако в этот период успешно развивается техника электровакуумных приборов и из-за недостаточного знания строения полупроводников и происходящих в них электрофизических процессов полупроводниковые приборы тогда не получили существенного развития и применения.
В годы Великой Отечественной войны были разработаны точечные высокочастотные и сверхвысокочастотные германиевые и кремниевые диоды. В 1942 г. в СССР был начат выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовались для питания переносных радиостанций партизанских отрядов. Создание и производство этих и многих других приборов стало возможно благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупровод-
4
ников, проведенным группой ученых под руководством академика А. Ф. Иоффе.
С 1948 г. с момента создания американскими учеными Дж. Бардиным, В. Браттейном и В. Шокли точечного транзистора начался новый этап полупроводниковой электроники. В пятидесятых годах были разработаны различные типы транзисторов, мощных германиевых и кремниевых выпрямительных диодов, тиристоров, фотодиодов, фототранзисторов, кремниевых фотоэлементов, туннельных диодов и других полупроводниковых приборов. В это же время появились идеи создания полевых транзисторов с управляющим электронно-дырочным переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторов). Но до окончательной разработки полевых транзисторов с изолированным затвором потребовались еще многолетние исследования электрофизических процессов на границе полупроводника с диэлектриком и разработка технологических процессов создания необходимых структур.
Современный этап развития полупроводниковой электроники характеризуется в нашей стране большим объемом научно-исследовательских и технологических работ, направленных на дальнейшее совершенствование имеющихся и создание новых полупроводниковых приборов.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............. 3
Введение............... 4
§1.1. Энергетические зоны полупроводников ............. 6
§ 1.2. Генерация и рекомбинация
носителей заряда .......... 7
§ 1.3. Концентрация носителей заряда в полупроводнике при термодинамическом равновесии ..... 9
§ 1.4. Собственные полупроводники .................. 12
§ 1.5. Примесные полупроводники . 13 § 1.6. Время жизни неравновесных
носителей заряда.......... 15
§ 1.7. Процессы электропроводности в полупроводниках ...... 18
§ 1.8. Температурные зависимости концентрации носителей заряда и
положения уровня Ферми..... 22
§ 1.9. Температурные зависимости подвижности носителей заряда и
удельной проводимости....... 23
§ 1.10. Полупроводники в сильных
электрических полях ........ 24
§ 1.11. Оптические свойства полупроводников ............. 28
§ 1.12. Обедненные, инверсные и обогащенные поверхностные слои . 32 § 1.13. Поверхностная рекомбинация .................. 35
§ 1.14. Проводимость канала поверхностной электропроводности . 36
§ 2.1. Электронно-дырочный переход .................. 38
§ 2.2. Токи через электронно-дырочный переход........... 40
§ 2.3. Концентрация неосновных носителей заряда у границ электронно-дырочного перехода....... 41
§ 2.4. Методы формирования и классификация электронно-дырочных переходов ,.......... 44
§ 2.5. Распределение напряженности электрического поля и потенциала в электронно-дырочном переходе 46 § 2.6. Аналитический расчет резкого электронно-дырочного перехода .................. 50
§ 2.7. Аналитический расчет плавного электронно-дырочного перехода с линейным распределением ксл-центрацин примесей ,....... 53
427
§ 2.8. Барьерная емкость электронно-дырочного перехода .... 54 § 2.9. Контакт полупроводников с одним типом электропроводности . 58 § 2.10. Контакт металл—полупроводник ................ 60
§ 2.11. Гетеропереходы....... 62
§ 2.12. Свойства и параметры невыпрямляющих контактов ..... 64
§ 3.1. Структура и основные элементы ................ 69
§ 3.2. Вольт-амперная характеристика диода при инжекции и экстракции носителей заряда....... 70
§ 3.3. Расчет распределения неосновных носителей заряда в базе
диода................. 73
§ 3.4. Расчет постоянных токов, проходящих через диод и связанных с инжекцией и экстракцией
носителей заряда.......... 77
§ 3.5. Частные случаи расчета распределения неосновных носителей
заряда и тока насыщения..... 79
§ 3.6. Расчет переменных токов и полной проводимости диода .... 82 § 3.7. Графики частотных зависимостей параметров диода...... 86
§ 3.8. Физический смысл параметров диода.............. 87
§ 3.9. Пределы применимости частных случаев расчета параметров
диода................. 91
§ 3.10. Генерация и рекомбинация носителей заряда в электронно-дырочном переходе.......... 92
§ 3.11. Лавинный пробой..... 95
§ 3.12. Туннельный пробой .... 101
§ 3.13. Тепловой пробой...... 103
§ 3.14. Влияние поверхностных состояний на вольт-амперную характеристику диода .......... 109
§ 3.15. Процессы в диодах при больших прямых токах......... 111
§ 3.16. Расчет вольт-амперной характеристики диода при больших
прямых токах............ 115
§ 3.17. Вольт-амперная характеристика диода в полулогарифмических
координатах............. 122
§ 3.18. Переходные процессы в диодах .................. 123
§ 3.19. Выпрямительные плоскостные диоды.............. 127
§ 3.20. Селеновые выпрямители . 133 § 3.21. Выпрямительные точечные
высокочастотные диоды....... 135
§ 3,22. Импульсные диоды..... 137
§ 3.23. Плоскостные диоды с выпрямлением на контакте металл—
полупроводник ........... 139
§ 3.24. СВЧ-диоды......... 141
§ 3.25. Стабилитроны........ 146
§ 3.26. Стабисторы......... 149
§ 3.27. Лавинно-пролетные диоды . 149
§ 3.28. Туннельные диоды..... 152
§ 3.29. Обращенные диоды..... 158
§ 3.30. Варикапы.......... 159
§ 3.31, Надежность диодов .... 162
§ 4.1. Структура и основные режимы работы............ 166
§ 4.2. Распределение _ сгационар-ных потоков носителей заряда . . 169 § 4.3. Распределение носителей заряда ................. 173
§ 4.4. Значения постоянных токов
при активном режиме....... 177
§ 4.5. Явления в транзисторах при
больших токах........... 180
§ 4.6. Статические параметры . . 183 § 4.7. Пробой транзисторов . . . 187 § 4.8. Статические характеристики 191 § 4.9. Работа транзистора на малом переменном сигнале ...... 198
§ 4.10. Малосигнальные параметры 201 § 4.11. Эквивалентные схемы . . . 204 § 4.12. Эквивалентная схема одномерной теоретической модели . . . 207 § 4.1Я. Барьерные емкости переходов и сопротивление базы ..... 212
§ 4.14. Частотные характеристики . 218 § 4.15. Работа транзистора на импульсах ............... 227
§ 4.16. Шумы в транзисторах . . . 231 § 4.17. Низкочастотные маломощные транзисторы.......... 234
§ 4.18. Высокочастотные маломощные транзисторы.......... 235
§ 4.19. Мощные транзисторы . . . 242 § 4.20. Однопереходный транзистор ................. 245
§ 4,21, Надежность транзисторов . 248
§ 5.1. Структура и принцип действия ................. 252
§ 5.2. Способы переключения . . 258 § 5.3. Конструкция и технология
изготовления ............ 262
§ 5.4. Параметры и характеристики ................. 261
§ 6.1. Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом..... 268
§ 6.2. Расчет выходных статических характеристик полевого транзистора с управляющим р-я-перехо-
. дом.................. 273
§ 6.3. Эквивалентные схемы полевого транзистора с управляющим
р-я-переходом............ 275
§ 6.4. Частотные свойства полевых транзисторов с управляющим р-п-
переходом.............. 277
§ 6.5, Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-тран-
зисторы)............... 278
§ 6.6. Расчет выходных статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором 284 § 6.7, Параметры и свойства полевых транзисторов с изолированным
затвором............... 286
§ 6.8. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью....... 287
§ 6.9. Разновидности приборов с зарядовой связью , ......... 292
§ 7.1. Задачи и принципы микроэлектроники ............. 296
§ 7.2. Классификация интегральных микросхем........... 297
§ 7.3. Методы изоляции элементов
интегральных микросхем...... 300
§ 7.4. Активные элемедты .... 302 § 7,5. Пассивные элементы .... 308
§8.1. Принцип действия генератора Ганна.............. 315
§ 8.2. Технология изготовления
генераторов Ганна ......... 318
§ 8.3. Свойства и параметры генераторов Ганна ........... 319
§ 8.4. Генераторы с ограничением накопления объемного заряда . . . 320
§ 9.1. Светодиоды......... 322
§ 9.2. Лазеры........... 330
§ 9.3. Электролюминесцентные порошковые излучатели ....... 335
§ 9.4. Электролюминесцентные пленочные излучатели......... 337
§ 10.1. Фоторезисторы....... 339
§ 10.2. Фотодиоды......... 343
§ 10.3. Полупроводниковые фотоэлементы ............... 348
§ 10.4. Фототранзисторы и фототиристоры ............... 351
§ 10.5. Приемники проникающей радиации и корпускулярно-преобра-
зовательные приборы........ 353
§ 10.6. Оптроны........... 357
§ 11.1. Термисторы прямого подогрева ................. 360
§ 11.2. Болометры......... 366
§ 11.3. Термисторы косвенного подогрева ............... 367
§ 11.4. Позисторы ......... 368
§ 12.1. Принцип действия ..... 371
§ 12.2, Характеристики...... 373
§ 13.1. Переключатели....... 377
§ 13.2. Запоминающие устройства . 380 § 13.3. Надежность, стабильность и срок службы приборов на аморфных
полупроводниках .......... 381
§ 14.1. Принцип действия..... 383
§ 14.2. Термоэлектрические генераторы ................. 387
§ 14.3. Холодильники и тепловые
насосы................ 392
§ 15.1. Принцип действия..... 396
§ 15.2. Преобразователи Холла . . 401
§ 15.3. Магниторезисторы..... 406
§ 15.4. Магнитодиоды и магнито-
транзисторы ,............ 407
§ 16.1. Тензорезисторы....... 410
§ 16.2. Тензодиоды и поликристал-
лические тензорезисторы , ..... 415
Список рекомендуемой литературы 417 Обозначения основных величин,
принятые в книге.......... 417
Универсальные физические постоянные .................. 419
Алфавитный указатель ,...... 420
Цена: 150руб.
