Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 621.382

ББК 32.852

Л 33

Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. —

М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 488 с. - ISBN 978-5-9221-0995-6.

Рассмотрены физические принципы работы наиболее важных классов со-

временных полупроводниковых приборов: диодов, биполярных и полевых тран-

зисторов, тиристоров, СВЧ приборов с отрицательным дифференциальным

сопротивлением (диодов Ганна, лавинно-пролетных и инжекционно-пролетных

диодов), приборов с зарядовой связью, оптоэлектроиных приборов (фотоприем-

ников, светодиодов, инжекционных лазеров и др.). Выведены основные теоре-

тические соотношения, определяющие характеристики этих приборов. Большое

внимание уделено описанию особенностей современных быстродействующих

приборов с субмикронными и нанометровыми размерами, в том числе приборов,

в работе которых используются гетеропереходы, квантовые ямы и квантовые

точки. Помимо этого, в книге рассмотрены основы планарной технологии,

описаны возникшие в последнее время технологические проблемы и указаны

перспективные пути их решения.

Для студентов старших курсов, аспирантов и научных сотрудников, рабо-

тающих в области физики полупроводников.

Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию РФ

в качестве учебного пособия для студентов ВУЗов, обучающихся по специаль-

ностям 010701

—

«Физика», 010704

—

«Физика конденсированного состояния

вещества», 010803

—

«Микроэлектроника и полупроводниковые приборы».

ISBN 978-5-9221 -0995-6

® А. И. Лебедев, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 7

Глава 1. Полупроводниковые диоды 11

1.1. Потенциальный барьер в р-п-переходе 11

1.2. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода 19

1.2.1. Вольт-амперная характеристика тонкого р-п-перехода 19

1.2.2. Влияние генерации и рекомбинации в области про-

странственного заряда на вольт-амперные характеристики р-

n-перехода (модель Са-Нойса-Шокли) 28

1.2.3. р-п-переход при высоких уровнях инжекции 33

1.2.4. Вольт-амперная характеристика p-rt-диода 39

1.3. Явление пробоя р-п-перехода 44

1.3.1. Лавинный пробой р-п-перехода 45

1.3.2. Туннельный пробой р-п-перехода 55

1.3.3. Тепловой пробой р-п-перехода 57

1.3.4. Стабилитроны 58

1.4. Туннельные диоды 62

1.4.1. Вольт-амперная характеристика туннельного диода . , 64

1.4.2. Избыточный ток в туннельных диодах 74

1.4.3. Выбор материалов для туннельных диодов 76

1.4.4. Обращенные диоды 81

1.5. Диоды с барьером Шоттки 83

1.5.1. Энергетическая диаграмма контакта металл-полу-

проводник 84

1.5.2. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки .... 89

1.5.3. Омические контакты к полупроводникам 99

1.6. Гетеропереходы и сверхрешетки 103

1.6.1. Гетеропереходы 103

1.6.2. Квантовые ямы и сверхрешетки 110

1.7. Диод на переменном токе 121

1.7.1. Барьерная емкость 121

1.7.2. Диффузионная емкость 126

1.7.3. Импульсные характеристики и быстродействие диодов 128

Оглавление

1.7.4. Диоды с накоплением заряда 133

1.7.5. Емкостная спектроскопия глубоких уровней 135

Глава 2. Биполярные транзисторы 140

2.1. Немного истории. Конструкции биполярного транзистора. . . 140

2.2. Параметры, определяющие коэффициент усиления транзи-

стора 148

2.2.1. Коэффициент инжекции эмиттера 149

2.2.2. Коэффициент переноса носителей через базу 153

2.2.3. Эффективность инжекции при очень малых и очень

больших токах 155

2.2.4. Эффект оттеснения эмиттерного тока 157

2.2.5. Влияние напряжения на коллекторе на коэффициент

усиления 158

2.3. Транзистор при высоком напряжении на коллекторе 160

2.4. Высокочастотные свойства и быстродействие транзисторов. . 165

2.4.1. Частота отсечки и максимальная частота генерации . . 165

2.4.2. Гетеропереходные транзисторы 170

2.5. Транзисторы в схемах усиления сигналов 177

2.5.1. Схемы включения транзистора и выбор рабочей точки 177

2.5.2. Описание транзистора с помощью ^-параметров 178

2.6. Шумы в биполярных транзисторах 182

2.7. Особенности работы транзисторов в импульсном режиме. . . 187

2.8. Элементы интегральных схем на биполярных транзисторах 190

2.8.1. Планерная технология 191

2.8.2. Особенности устройства цифровых ИС на биполярных

транзисторах 209

Глава 3. Тиристоры и другие многослойные структуры ... 215

3.1. Тиристоры 215

3.1.1. Вольт-амперные характеристики тиристора 216

3.1.2. Процессы включения и выключения тиристора 231

3.2. Многослойная структура — симистор 236

Глава 4, Полевые транзисторы 239

4.1. Полевые транзисторы с изолированным затвором 241

4.1.1. МОП-конденсатор 241

5 Оглавление

4.1.2. Вольт-амперная характеристика МОП-транзистора. . 249

4.1.3. Особенности реальных полевых транзисторов 252

4.1.4. Полевые транзисторы с коротким каналом 255

4.1.5. Быстродействие полевых транзисторов 259

4.1.6. Пути дальнейшего повышения быстродействия МОП-

транзисторов 261

4.1.7. Мощные и высоковольтные МОП-транзисторы 264

4.2. Элементы интегральных схем на МОП-транзисторах 269

4.2.1. Интегральные схемы на n-МОП-транзисторах 271

4.2.2. КМОП-структуры 279

4.2.3. Энергонезависимые постоянные запоминающие

устройства на МОП-транзисторах 285

4.3. Полевые транзисторы с управляющим р-п-пере ходом и ба-

рьером Шоттки 294

Глава 5. Приборы с зарядовой связью 311

Глава 6. Полупроводниковые СВЧ приборы 332

6.1. Диоды Ганна 333

6.2. Лавинно-пролетные диоды 355

6.3. Инжекционно-пролетные диоды 368

6.4. Другие способы генерации СВЧ колебаний 376

6.4.1. TRAPATT-режим 376

6.4.2. Туннельно-пролетные диоды (TUNNETT) 376

6.4.3. QWITT-диоды 379

Глава 7. Оптоэлектронные приборы 380

7.1. Приемники излучения 381

7.1.1. Механизмы поглощения излучения в полупроводнике 381

7.1.2. Фотоприемники, основанные на явлении фотопроводи-

мости 384

7.1.3. Шумы в фотоприемниках 401

7.1.4. Фотовольтаические приемники (фотодиоды) 405

7.1.5. Лавинные фотодиоды 410

7.1.6. Преобразователи солнечной энергии (солнечные эле-

менты) 414

7.1.7. Детекторы ядерных излучений 423

Оглавление

7.2. Светодиоды и полупроводниковые лазеры 428

7.2.1. Механизмы излучательной рекомбинации 428

7.2.2. Светодиоды 432

7.2.3. Инжекционные полупроводниковые лазеры 445

Приложение 461

Список литературы 463

Предметный указатель . 478

Введение

Настоящая книга написана по материалам лекций, которые

автор читает на физическом факультете МГУ в течение ряда по-

следних лет. Со времени выхода последней двухтомной моногра-

фии М. Шура по физике полупроводниковых приборов прошло

уже более 10 лет. Из-за чрезвычайно быстрого темпа развития

прикладных разработок в области полупроводниковых прибо-

ров — а темпы развития микроэлектроники относятся, пожалуй,

к наиболее быстрым — в этой области многое изменилось. Пара-

метры приборов существенно улучшились, сменилось несколько

поколений микросхем процессоров для ЭВМ. Появились новые

физические идеи, предложены новые принципы работы и реали-

зованы новые конструкции приборов. Технологические приемы,

используемые при производстве полупроводниковых приборов,

подошли к границам своих возможностей. Некоторые направ-

ления, только намечавшиеся 10 лет назад, вышли на маги-

стральный путь, а другие, казавшиеся перспективными, отошли

на второй план. Значит, пришло время подумать над изданием

новой книги по физике полупроводниковых приборов, которая

отразила бы эти изменения.

Развитие физики полупроводниковых приборов неразрывно

связано с фундаментальными исследованиями по физике полу-

проводников. Некоторые из сделанных в этой области открытий,

нашедших широкое практическое применение, были признаны

важнейшими и отмечены Нобелевскими премиями. Речь идет

о работах Дж. Бардина, У. Браттейна, У. Шокли (премия 1956 г.

за открытие транзистора), работах Л. Есаки (премия 1973 г.

за открытие туннельного эффекта в полупроводниках и сверх-

проводниках), работах нашего соотечественника — Ж. И. Алфё-

рова совместно с Дж. Килби и Г. Кремером (премия 2000 г. за ос-

новополагающие работы в области информационной технологии

и связи, вклад в изобретение интегральной схемы и создание

полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной элек-

троники и оптоэлектроники).

Разработка современного полупроводникового прибора явля-

ется дорогостоящей задачей, требующей больших затрат труда

и времени. Например, цикл изготовления современной сложной

Введение

микросхемы может занимать до трех месяцев. Поэтому в насто-

ящее время на первый план выходит задача предварительного

моделирования прибора, только после решения которой можно

приступать к его созданию. Это требует умения количественно

рассчитывать все необходимые параметры приборов. По этой

причине к физике полупроводниковых приборов, как области

науки, предъявляется требование уметь не только качествен-

но объяснять, но и количественно предсказывать поведение

рассматриваемой полупроводниковой структуры, Это определяет

обилие в книге формул, обсуждений обоснованности тех или

иных физических приближений — все это необходимо, чтобы

обеспечить требуемый количественный результат.

Дополнительную сложность при решении задачи разработки

полупроводниковых приборов создает и то, что эти приборы

изготавливают из конкретных полупроводников, реальные свой-

ства которых часто далеки от идеализированных представлений.

Поэтому автор счел необходимым добавить в настоящую книгу

некоторые особенности полупроводников (например, касающи-

еся поведения конкретных легирующих примесей), без знания

которых создание совершенных приборов оказывается просто

невозможным. Кроме того, в книгу включено описание основ-

ных приемов планарной технологии и обсуждаются направления

их совершенствования, поскольку без понимания взаимосвязи

физических принципов работы приборов и технологии их из-

готовления невозможно в полной мере проникнуться «духом»

современной микроэлектроники.

Понимание материала, изложенного в настоящей книге, тре-

бует предварительного знакомства с курсом физики полупровод-

ников, основами квантовой механики и радиотехники.

В книге рассмотрены основные классы современных полупро-

водниковых приборов и физические основы их работы. В пер-

вой и наибольшей по объему главе обсуждаются физические

явления, возникающие на контакте двух полупроводников раз-

ного типа проводимости — в так называемом р-п-переходе.

Здесь же рассмотрены явления, проявляющиеся в более сложных

структурах с потенциальными барьерами: контактах металл-

полупроводник (барьерах Шоттки), гетеропереходах, одиночных

квантовых ямах и сверхрешетках. Эта глава закладывает основы,

необходимые для понимания материала последующих глав. Вто-

рая глава посвящена изучению биполярных транзисторов и пу-

тей дальнейшего улучшения их характеристик. В частности,

рассмотрены подходы к созданию быстродействующих транзи-

сторов (гетеропереходные транзисторы, транзисторы на горячих

9 Введение

электронах). В этой главе также изложены основы пленарной

технологии, которая в настоящее время является основой про-

изводства практически всех типов полупроводниковых приборов,

а также некоторые приемы схемотехники, позволяющие за счет

функциональной интеграции существенно увеличить плотность

упаковки элементов в интегральных схемах и подойти к со-

зданию сверхбольших интегральных схем (СБИС). Принципы

работы и свойства четырехслойных и еще более сложных би-

полярных структур, из которых изготавливают крайне необхо-

димые для современной силовой энергетики тиристоры и си-

мисторы, рассмотрены в главе 3. Четвертая глава посвящена

полевым транзисторам — наиболее распространенным на сего-

дня полупроводниковым приборам. Тем, что в настоящее вре-

мя нас окружают высокопроизводительные компьютеры, быстро-

действие которых возрастает с головокружительной скоростью,

мы обязаны разработке именно этого класса полупроводниковых

приборов. Особое внимание в этой главе занимают современ-

ные идеи и решения, позволяющие создавать полевые тран-

зисторы, которые способны работать на частотах, относимых

к субмиллиметровой области спектра (выше 300 ГГц). В этой

же главе обсуждаются актуальные для современной электро-

ники гибридные (биполярные+полевые) структуры типа IGBT

и BiCMOS, а также основные типы ИС на полевых транзисторах

(n-МОП, КМ.ОП, статические, динамические и перепрограмми-

руемые запоминающие устройства, флэш-память). В пятой главе

рассмотрены принципы работы важного класса функционально-

интегрированных приборов на основе эффекта поля — приборов

с зарядовой связью. Наиболее интересным направлением разви-

тия этих приборов является, по-видимому, создание приемников

изображения, которые широко используются в таких бытовых

приборах, как цифровые фотоаппараты и видеокамеры. В главе 6

книги рассмотрен совершенно другой класс приборов — полу-

проводниковые СВЧ приборы. В этой главе описаны методы по-

лучения в полупроводниках отрицательного дифференциального

сопротивления и создание на основе этого явления генераторов

электромагнитных колебаний в диапазонах сантиметровых, мил-

лиметровых и субмиллиметровых длин волн. Наконец, седьмая

глава книги посвящена физическим принципам работы широкого

класса оптоэлектронных приборов. Это — приемники излучения,

используемые для регистрации электромагнитных колебаний на-

чиная от дальней инфракрасной области спектра (BIB- и HIWIP-

детекторы) до диапазона рентгеновского и гамма-излучения (де-

текторы ядерных излучений), и полупроводниковые источники

Введение

излучения (светодиоды, лазеры). Особое внимание в этой главе

уделяется физическим явлениям в новых полупроводниковых

объектах (квантовых ямах, нитях и точках) и использованию

этих явлений для существенного улучшения параметров опто-

электронных приборов.

Отличительной чертой настоящей книги является то, что

большая часть информации о наиболее важных идеях, разработ-

ках и достижениях последних лет в области физики полупро-

водниковых приборов почерпнута не из журнальных статей, а из

Интернета. Интернет сделал общедоступными аналитические об-

зоры, написанные специалистами ведущих фирм-разработчиков

всего мира, он позволяет оперативно следить за последними

достижениями в области фундаментальных и прикладных ис-

следований полупроводников и выявлять основные тенденции

развития в этой области знаний.

Автор считает своей приятной обязанностью выразить бла-

годарность своим коллегам, профессору А.Э. Юновичу, доцен-

ту М.В. Чукичеву, ст. научн. сотр. И. А. Куровой и И.А. Слу-

чинской, к.х.н. С.Г. Дорофееву и В.М. Шахпаронову, которые

прочли отдельные разделы рукописи и высказали ряд ценных за-

мечаний, способствовавших улучшению содержания книги в це-

лом.

Глава 1

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды

Работа большинства полупроводниковых приборов основа-

на на использовании специфических свойств контакта полупро-

водников разного типа проводимости — так называемого р-п-

перехода. Эти свойства обусловлены целым рядом физических

явлений, происходящих в таком контакте: инжекцией, туннели-

рованием, ударной ионизацией носителей и др. В этой главе мы

рассмотрим эти физические явления, установим их роль в кон-

кретных условиях работы полупроводниковых диодов, рассчита-

ем характеристики р-п-перехода в этих условиях и обсудим, как

ими можно управлять, изменяя геометрию прибора и параметры

полупроводника.

1.1. Потенциальный барьер в р-п-переходе

Одним из основных физических явлений, происходящих

на границе раздела полупроводников р- и n-типа проводимо-

сти, является возникновение энергетического барьера и области,

обедненной носителями заряда (так называемого обедненного

(истощенного) слоя или области пространственного заряда).

Причиной возникновения этого барьера является диффузия сво-

бодных носителей заряда (электронов и дырок). Рассмотрим эти

явления более подробно.

Из общего курса физики полупроводников [1] известно, что

в невырожденном полупроводнике в любой его точке концентра-

ции электронов п и дырок р связаны соотношением

(1.1)