Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
I. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКАСтр 1 из 4Следующая ⇒
А) основная 1. Электронные приборы. Под ред. Шишкина Г.Г. Учебник для ВУЗов-М: Энергоатомиздат, 1989. 2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Учебник для ВУЗов. С-Перербург, 2001 3. В. И. Марголин, В. А. Жабрев, В. А. Тупик. Физические основы микроэлектроники. Высшее профессиональное образование. Академия, 2008. 4. Епифанов Г.И., Мома Г.И. Твердотельная электроника-М.: Высшая школа,1986. 5. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника.-М.: Высшая школа, 1991. Б) дополнительная 1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов.-М.:Мир,т.1 и 2,1984. 2. Батушев В.А Электронные приборы. М.: ВШ.1980. 3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники.-М.:Сов.радио,1984. 4. Викулин И.М., Стафеев А.И. Физика полупроводниковых приборов.- М.:Высшая школа,1990. 5. Бонч-Бруевич В.А., Калашников С.Г. Физика полупроводников.- М.:Наука,1977.
ВВЕДЕНИЕ
<Краткий энциклопедический словарь>
Основные определения ЭЛЕКТРОНИКА - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых)
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА – раздел электроники, МЭ связана с созданием электронных функциональных узлов в миниатюрном исполнении, Развивается на основе пп электроники в направлении повышения степени интеграции элементов.
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА – собирательное название ряда областей науки и техники, связанных с передачей и преобразованием информации на основе использования радиочастотных электромагнитных колебаний или волн. Одно из направлений радиоэлектронки – радиотехника
РАДИОТЕХНИКА - область техники, осуществляющая применение электромагнитных колебаний для передачи информации, радиосвязи, радиолокации и радионавигации.
РАДИОТЕХНИКА распадается на ряд областей:
П/П ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ (п/п ЭП)– устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических, акустических явлений в твердом теле. П/П ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ применяют в качестве элементов радиоэлектронной аппаратуры.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ, решаемые с помощью п/п ЭП: усиление, генерация, передача, накопление, преобразование, хранение сигналов и пр.
Пример: некоторые типы электронных приборов: - диоды, - биполярные - полевые транзисторы, - тиристоры, - фото и терморезисторыи, - фототранзисторы и пр.
Пример: - диоды: выпрямительные, генераторные, pin – диоды, стабилитроны, импульсные диоды и пр.; - биполярные транзисторы: p-n-p, n-p-n; - полевые транзисторы: с p-n переходом, МОП- транзисторы: с обогащенным и обедненным каналом и пр.
Из истории… ЭЛЕКТРОНИКА, как область техники, возникла в начале ХХ века, главным образом вакуумная, на ее основе были созданы электровакуумные приборы. 40-е гг. ХХ века получила развитие твердотельная электроника, главным образом полупроводниковая, на ее основе были созданы целый класс проводниковых приборов. 60-е гг. ХХ века – расцвет микроэлектроники.
Полупроводниковые приборы в виде точечных диодов, или, как их раньше называли, кристаллические детекторы, применяли еще в первых электронных установках.
Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми соединениями были обнаружены еще в 1874 г. А. С. Поповым. В 1895г. А. С. Поповым при изобретении радио был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых систем. В 1922г. О. В. Лосев использовал отрицательное дифференциальное сопротивление, возникающее при определенных условиях на точечных контактах металла с полупроводником, для генерации высокочастотных электрических колебаний. Кроме того, им было обнаружено свечение кристаллов карбида кремния при прохождении тока через точечные контакты.
С конца XIX в. и до середины XX в. успешно развивается техника электровакуумных приборов.
Из-за недостаточного знания строения полупроводников и происходивших в них электрофизических процессов полупроводниковые приборы не получили тогда существенного развития и применения. Широкое и систематическое исследование свойств полупроводников было начато в 30-е годы XX в. В этот период были разработаны основы физики полупроводников, открыты наиболее важные эффекты в полупроводниках, на основе которых работают современные полупроводниковые приборы. При разработке теории выпрямления на границе двух полупроводников разного типа электропроводности (электронной и дырочной) Б. И. Давыдов в 1938 г. установил важную роль неосновных носителей заряда в образовании тока. В 1940—1941 гг. В. К. Лошкаревым и его сотрудниками экспериментально была подтверждена диффузионная теория выпрямления на p-n переходе.
B начале 40-х гг. были разработаны точечные диодыдля промышленного применения. Пример: в 1942г. в СССР был организован выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовались для питания переносных радиостанций в партизанских отрядах.
Создание и производство этих и многих других приборов в СССР стало возможным благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупроводников, проведенным группой ученых под руководством академика А. Ф. Иоффе.
С 1948 г., американскими учеными Дж. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли создан точечный транзистор,начался новый этап развития полупроводниковой электроники. У. Шокли разработал теорию плоскостного транзистора. В 1952 г. были созданы первые промышленные образцы плоскостных транзисторов, получивших в дальнейшем широкое распространение. Тогда же У. Шокли предложил полевой транзистор с управляющим p—n переходом.
В 50-х годах были разработаны различные типы биполярных транзисторов, тиристоров, мощных выпрямительных диодов, фотодиодов, фототранзисторов, кремниевых фотоэлементов — солнечных батарей, туннельных диодови других полупроводниковых приборов.
Принцип действия полевых транзисторов с изолированным затворомбыл предложен еще в 1926 г. Ю. Лилиенфельдом, но до окончательной разработки этих транзисторов потребовалось почти 30 лет исследований электрофизических процессов на границе полупроводника с диэлектриком и технологии получения необходимых структур.
Одновременно с разработкой приборов новых типов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления. В первой половине 50-х годов был разработан процесс диффузии примесей в полупроводниковые материалы, и в 1956 г. началось производство транзисторов с базой, полученной методом диффузии. Важным достижением стало появление в начале 60-х годов планарного процесса. Выращивание изолирующего слоя диоксида кремния на поверхности кремниевой подложки и получение в нем топологического рисунка заданной конфигурации с применением процесса фотолитографии позволили осуществлять прецизионный контроль за размерами элементов полупроводниковой структуры. В 1960 г. был разработан еще один из важнейших технологических процессов - эпитаксиальное наращивание слоев полупроводников требуемых толщины и электрических свойств на монокристаллической подложке.
Достижения полупроводниковой электр оники явились основой создания микроэлектроники. В 1958—1959-годах появились интегральные микросхемы на кремнии,что означало появление нового направления полупроводниковой электроники — микроэлектроники. В 1961—1962 гг. появились первые биполярные интегральные микросхемы, а в 1964 г. — несложные интегральные микросхемы на полевых транзисторах. С 1967 г. начался выпуск больших интегральных микросхем.
Удалось существенно уменьшить стоимость и повысить надежность устройств электронной техники, значительно уменьшить их массу и габариты путем формирования всех пассивных и активных элементов интегральных микросхем в едином технологическом процессе.
В 80-е годы прошлого столетия стремление к уменьшению размеров активных элементов электроники привело к зарождению еще одного направления — наноэлектроники.(или более правильно— наноразмерной электроника). Уменьшение размеров активных элементов до нанометров вызвало появление новых физических явлений и, соответственно, возможностей использования этих явлений в новых приборах. Развитие полупроводниковой электроники идет весьма интенсивно и в нашей стране, о чем свидетельствует присуждение в 2000 г. Нобелевской премии академику Ж. И.Алферову за исследование гетеропереходов,разработку технологий их формирования и за организацию производства полупроводниковых приборов на основе гетеропереходов.
I. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Структура оболочек атома, См. ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Образование энергетических зон в кристаллах. Рассмотрим образование и строение энергетических зон в кристаллах.
Многие полезные с практической точки зрения физические свойства твердых тел, например, электропроводность объясняются их зонной структурой.
Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. Мы будем рассматривать строение энергетических зон только в твердых телах, имеющих кристаллическую структуру, к которым относится большинство полупроводников, применяемых для создания электронной техники.
Энергетический спектр Энергетический спектр, энергетическая структура - эти понятия привнесены в физику квантовой механикой. В классической физике система может иметь любую энергию. В квантовой механике каждая физическая система характеризуется определенным энергетическим спектром. Например, в атоме водорода энергия электрона может принимать значения, равные
(1.1 ) E0 » 13,5 эВ, n = 1, 2, ...
*) эВ – энергия, которую приобретает электрон, пройдя через электрическое поле с разностью потенциалов 1 Вольт. (1 джоуль = 6.24 x 10+18 электрон-вольт, 1 электрон-вольт = 1.60 x 10-19 джоуль)
Одним из важнейших выводов квантовой механики в применении к макроскопическим телам было установление зонной структуры их энергетического спектра: когда полосы разрешенных значений энергии перемежаются с полосами запрещенных значений.
Коллективное движение частиц в твердых телах удобно характеризовать с помощью квазичастиц.
В твердом теле - это фононы, экситоны, магноны, плазмоны, поляроны, электроны и дырки.
Различают два класса квазичастиц - фермионы, и - бозоны. Фермионы - частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми - Дирака. Бозоны - частицы с целым спином, для них реализуется статистика Бозе - Эйнштейна.
*) спин - собственный момент количества движения (мех момент)
Мы будем рассматривать энергетический спектр движения электронов, относящихся к классу фермионов. Кроме того, мы будем пользоваться понятием - фонон
Фонон – квант тепловых колебаний кристаллической решетки, квазичастица обладающая энергией Ефон
Ефон = kT (1.2) При рассмотрении энергетического спектра электронов используются ряд приближений:
- рассматриваются только валентные электроны внешних атомных оболочек, которые образуют систему электронов проводимости. - электроны внутренних атомных оболочек вместе с ядром представляются единым целым - ионом.
Рассмотрим качественно, как образуются энергетические зоны. Пусть N атомов составляют правильную пространственную решетку и расположены на больших (макроскопических) расстояниях друг от друга. Если однородно сжимать такую решетку, сохраняя геометрическое подобие то в процессе сближения атомов усиливается их взаимодействие, что и обуславливает трансформацию энергетического спектра электронов изолированного атома в электронный спектр кристалла.
а)
б)
Рис. 1. Схема образования энергетических зон кристалла из атомных уровней при сближении атомов, б- практически.
В каждом атоме имеются различные уровни энергии (соответствуюшие электронным уровням) ЕМ, ЕL, ЕK и т.д. (рис.1) В изолированном атоме электрон пребывает на стационарном уровне Еa неограниченно долгое время. Чтобы покинуть атом электрону надо сообщить энергию для преодоления потенциального барьера. При сближении атомов друг с другом у электронов появляется возможность обмениваться местами вследствие туннельного эффекта.
*)- явление просачивания частицы сквозь потенциальный барьер, туннельный эффект - чисто квантовое явление . Таким образом, сокращается время пребывания электрона на данном узле решетки. Время пребывания электрона вблизи данного узла t связано с размытием, или шириной, уровня DЕ:
tDЕ ~ , (1.3) где = h/2p
*) h = 6,625.10-24– постоянная Планка (или квант действия), Выражение (1.3) это соотношение неопределенности (соотношение неопределенности Гейзенберга для энергии Е и времени t) другими словами - энергия частицы, в каком либо состоянии может быть определена тем точнее, чем дольше частица находиться в этом состоянии. Следовательно, уменьшение t при образовании кристалла из изолированных атомов приводит к расширению уровня Еa в зону шириной DЕa. Т.е. в результате переходов электронов при сближении атомов одинаковые уровни энергии расщепляются.
В кристалле огромное число атомов: 1022 - 1023 в кубическом сантиметре. Каждый атомный уровень расщепляется на N уровней, расстояние между которыми тем меньше, чем больше число атомов.
В пределе N ® ¥ они слипаются образуя зоны разрешенных значения энергий, ширина которых тем больше, чем больше взаимодействие между соседними атомами. На каждый уровень в зоне может поместиться два электрона (квант. физика), а всего в зону - 2N электронов (принцип Паули, принцип запрета: на любой атомной орбите или энергетическом уровне может находиться не более двух электронов). Важно: для расщепления уровня на N уровней нет необходимости, чтобы все N атомов были близки друг к другу; достаточно, чтобы к любому можно было добраться через соседей. Величина максимального расщепления определяется взаимодействием атомов - соседей
Для валентных электронов ширина разрешенной энергетической зоны составляет несколько электрон-вольт: DЕ ~ /t ~ 1 эВ. Отсюда следует, что расстояние между уровнями, как было отмечено выше, бесконечно мало (DЕ/N ~ 10-22 эВ), так что зону можно считать квазинепрерывной.
Для электронов внутренних атомных оболочек потенциальный барьер шире и выше, и вероятность туннельного эффекта намного меньше, чем для валентных электронов. Вследствие этого электроны глубоких уровней практически связаны с определенными узлами решетки. Так К-электрон натрия переходит от одного узла к другому в среднем за t ~ 1 час, а DЕ ~ 10-19 эВ, т. е. К-уровень в кристалле остается практически резким. Однако и на глубоких уровнях в стационарном состоянии электрон распределен с одинаковой вероятностью по всем узлам кристаллической решетки.
Пример: Частота переходов электронов n от одного атома к другому пропорциональна вероятности туннелирования через потенциальный барьер DЕп. Можно показать, что при высоте ПБ DЕп ~ 10 Эв время нахождения электрона в определенном узле решетки всего лишь
t = 1/n ~ 10-15 секунд. . (1.4)
Иными словами, электроны внешних атомных оболочек не локализуются вблизи определенного узла решетки, а движутся по кристаллу. При радиусе боровской орбиты b ~ 10-8 см скорость движения
v ~ b/t= 10-8/10-15 ~ 107 см/с. (1.5) Справка: скорость электрона в атоме v ~ 108 см/с,
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Структура оболочек атома
ИСТОЧНИК: Конспект_Электроника (Сотникова).docx |
||
Последнее изменение этой страницы: 2018-04-12; просмотров: 594. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |