Физические основы микроэлектроники

 
В. А. Смирнов, О. В. Шуваева 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ  
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва  
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021
139 

УДК 621.3.049.77 
ББК 32.844.1 
С50 
 
Рецензенты: 
начальник сектора АО «ЦКБА»  
кандидат технических наук А. А. Чепурин; 
научный сотрудник ПАО «НПО ÄСтрела´»  
кандидат технических наук А. А. Парамонова 
 
 
 
 
 
Смирнов, В. А.  
С50   
Физические основы микроэлектроники : учебное пособие / В. А. Смирнов, О. В. Шуваева.  Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. -  
232 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0711-3 
 
Рассматриваются физические основы функционирования современных полупроводниковых приборов. Даны общие сведения о полупроводниковых приборах группы диодов и биполярных транзисторах. Рассмотрены элементы кристаллографии, атомной и квантовой физики. Приведена статистика электронов 
и дырок в полупроводниках.   
Для специалистов в области приборостроения. Издание может быть полезно студентам и аспирантам технических вузов.  
 
 
УДК 621.3.049.77 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0711-3 
” Смирнов В. А., Шуваева О. В., 2021 
 
 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
 
  
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
139 

 
Оглавление 
 
Принятые обозначения и сокращения 
...................................................................... 
7 
Введение ...................................................................................................................... 
9 
 
ГЛАВА 1. ЭЛЕМЕНТЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ ................................................. 
11 
1.1. Кристаллические структуры материалов .................................................. 
11 
1.2. Типы химической связи в кристаллических структурах ......................... 
15 
1.3. Дефекты кристаллического строения материалов 
.................................... 
18 
1.4. Полупроводниковые материалы 
................................................................. 
20 
1.5. Модель Друде - Лоренца электропроводности металлов ....................... 
22 
Литература к главе 1 ........................................................................................... 
28 
 
ГЛАВА 2. ЭЛЕМЕНТЫ АТОМНОЙ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ 
...................... 
29 
2.1. Принцип неопределенности Гейзенберга, уравнение Шредингера ....... 
29 
2.2. Прохождение частицы через потенциальный барьер .............................. 
31 
2.3. Частица в прямоугольной потенциальной яме ......................................... 
36 
2.4. Квантовая теория атома водорода. Энергетические уровни. 
Квантовые числа 
.......................................................................................... 
38 
2.5. Магнитные свойства вещества.  
Ядерный и электронный магнитный резонанс 
......................................... 
47 
2.6. Расщепление энергетических уровней в кристалле.  
Понятие об энергетических зонах. Основные положения зонной 
теории твердого тела 
................................................................................... 
51 
2.7. Волновой вектор. Зависимость энергии электрона от волнового 
вектора. Зоны Бриллюэна. Структура энергетических зон 
..................... 
61 
2.8. Понятие эффективной массы ...................................................................... 
65 
2.9. Квантовый гармонический осциллятор, понятие фонона ....................... 
66 
Литература к главе 2 ........................................................................................... 
71 
 
ГЛАВА 3. СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ И ДЫРОК  
В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ...................................................................................... 
73 
3.1. Функция распределения электронов по состояниям.  
Уровень Ферми ............................................................................................ 
73 
3 
 

3.2. Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике. 
Уровень Ферми в собственном полупроводнике 
..................................... 
77 
3.3. Концентрация электронов и дырок в примесных полупроводниках 
...... 
78 
3.4. Движение носителей заряда в полупроводниках 
...................................... 
80 
Литература к главе 3 ........................................................................................... 
84 
 
ГЛАВА 4. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ  
И ПОЛУПРОВОДНИКАХ ...................................................................................... 
85 
4.1. Работа выхода. Контактная разность потенциалов .................................. 
85 
4.2. Переходы металл - полупроводник ........................................................... 
88 
4.3. Переходы между полупроводниками р-типа и n-типа ............................. 
94 
4.3.1. Виды p-n-переходов ............................................................................. 
94 
4.3.2. Контактная разность потенциалов в p-n-переходе, 
характеристики потенциального барьера 
.......................................... 
94 
4.3.3. Статическая вольт-амперная характеристика р-n-перехода 
............ 
99 
4.3.4. Пробой p-n-перехода 
.......................................................................... 
105 
4.3.5. Динамические характеристики p-n-перехода.  
Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода ......................... 
110 
4.4. Переходы между полупроводниками с собственной и примесной 
проводимостью, между полупроводниками с одним типом 
проводимости и различной концентрацией примеси ............................ 
114 
4.5. Гетеропереходы 
.......................................................................................... 
115 
Литература к главе 4 ......................................................................................... 
118 
 
ГЛАВА 5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ГРУППЫ ДИОДОВ ........ 
119 
5.1. Общие сведения о приборах группы диодов .......................................... 
119 
5.2. Выпрямительные диоды, импульсные диоды, 
диоды с накоплением заряда .................................................................... 
119 
5.3. P-i-n-диоды 
.................................................................................................. 
125 
5.3.1. Структура и принцип действия p-i-n-диода .................................... 
125 
5.3.2. Ток рекомбинации p-i-n-диода 
.......................................................... 
128 
5.3.3. Ток p-i-n-диода в режиме низкого уровня инжекции 
..................... 
129 
5.3.4. Ток p-i-n-диода в режиме высокого уровня инжекции .................. 
129 
5.4. Стабилитроны, стабисторы, лавинные диоды, шумовые диоды .......... 
132 
5.5. Туннельные и обращенные диоды ........................................................... 
134 
4 
 

5.6. Варикапы 
..................................................................................................... 
140 
5.7. Лавинно-пролетные диоды ....................................................................... 
141 
5.8. Диоды Ганна ............................................................................................... 
146 
5.9. Фотодиоды .................................................................................................. 
151 
5.10. Светоизлучающие диоды ........................................................................ 
155 
5.11. Фоторезисторы ......................................................................................... 
161 
Литература к главе 5 ......................................................................................... 
163 
 
ГЛАВА 6. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 
...................................................... 
165 
6.1. Структура и принцип действия биполярного транзистора 
.................... 
165 
6.2. Математическая модель идеализированного транзистора .................... 
170 
6.3. Понятие о схемах включения биполярного транзистора 
....................... 
173 
6.4. Динамические характеристики биполярного транзистора .................... 
174 
6.5. Параметры биполярного транзистора в режиме малого сигнала.......... 
176 
6.6. Однопереходные транзисторы 
.................................................................. 
181 
Литература к главе 6 ......................................................................................... 
183 
 
ГЛАВА 7. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 
.............................................................. 
184 
7.1. Общие сведения о полевых транзисторах.  
Виды полевых транзисторов .................................................................... 
184 
7.2. Полевые транзисторы с p-n-переходом ................................................... 
185 
7.2.1. Структура и принцип действия полевых транзисторов  
с p-n-переходом .................................................................................. 
185 
7.2.2. Динамические характеристики полевых транзисторов  
с p-n-переходом .................................................................................. 
190 
7.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором 
................................. 
191 
7.3.1. Структура и характеристики МДП-конденсатора .......................... 
191 
7.3.2. Структура и принцип действия полевых транзисторов 
с изолированным затвором ............................................................... 
201 
7.4. Характеристики полевых транзисторов 
................................................... 
203 
7.5. Элементы памяти на основе полевых транзисторов .............................. 
205 
Литература к главе 7 ......................................................................................... 
207 
 
ГЛАВА 8. ТИРИСТОРЫ ....................................................................................... 
208 
8.1. Общие сведения о тиристорах .................................................................. 
208 
8.2. Структура и принцип действия тиристора .............................................. 
209 
5 
 

8.3. Динамические характеристики тиристоров ............................................ 
217 
Литература к главе 8 ......................................................................................... 
218 
 
ГЛАВА 9. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ  
С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ 
................................................................... 
219 
9.1. Общие сведения о биполярных транзисторах  
с изолированным затвором 
....................................................................... 
219 
9.2. Структура и принцип действия биполярных транзисторов  
с изолированным затвором 
....................................................................... 
220 
9.3. Характеристики биполярных транзисторов  
с изолированным затвором 
....................................................................... 
225 
Литература к главе 9 ......................................................................................... 
227 
 
 
6 
 

Принятые обозначения и сокращения 
 
A - постоянная Ричардсона; 
e
q  - заряд электрона (
Кл
10
602
,
1
19

˜
); 
 
U - удельное электрическое сопротивление; 
e
m  - масса свободного электрона (
кг
10
109
,
9
31

˜
); 


n
m  - эффективная масса электрона; 


p
m  - эффективная масса дырки; 
 
V - удельная проводимость; 
 
P - подвижность носителей заряда; 
p
P  - подвижность дырок; 
n
P  - подвижность электронов; 
0
F  - истинная работа выхода; 
g
E  - ширина запрещенной зоны; 
p
g
E
 - ширина запрещенной зоны полупроводника p-типа; 
n
g
E
 - ширина запрещенной зоны полупроводника n-типа; 
а
E  - энергия активации примеси; 
 
gd
E
 - энергия активации донорной примеси; 
ga
E
 - энергия активации акцепторной примеси; 
c
E  - энергия дна зоны проводимости; 
 
v
E  - энергия потолка валентной зоны; 
 
F
E
 - энергия уровня Ферми; 
 
M
F
E
 - энергия уровня Ферми металла; 
 
n
F
E
 - энергия уровня Ферми полупроводника n-типа; 
 
p
F
E
 - энергия уровня Ферми полупроводника p-типа; 
E
G
 - напряженность электрического поля; 
 
n
E  - энергия электрона; 
 
p
E  - энергия дырки; 
0
E  - энергия теплового равновесия, энергия электрона в вакууме; 
B
k  - постоянная Больцмана (
Дж/К
23
10
38
,
1

˜
); 
ж
k
 - коэффициент жесткости; 
k
K  - волновой вектор; 
7 
 

c
l  - длина свободного пробега носителя заряда; 
n
L  - диффузионная длина электронов; 
p
L  - диффузионная длина дырок; 
c
W  - время свободного пробега носителя заряда (время релаксации);  
n
W
 - время жизни электронов; 
p
W  - время жизни дырок; 
n
D  - коэффициент диффузии электронов; 
p
D  - коэффициент диффузии дырок; 
T  - абсолютная температура, К; 
c
N  - эффективная плотность состояний в зоне проводимости; 
Q
N  - эффективная плотность состояний в валентной зоне; 
a
N  - концентрация акцепторной примеси; 
d
N  - концентрация донорной примеси; 
n
j
G  - плотность электронного тока; 
p
j
G  - плотность дырочного тока; 
Ф - термодинамическая работа выхода; 
M
Ф
 - термодинамическая работа выхода металла; 
p
Ф  - термодинамическая работа выхода полупроводника p-типа; 
n
Ф  - термодинамическая работа выхода полупроводника n-типа; 
ext
к
M
 - внешняя контактная разность потенциалов; 
к
M  - (внутренняя) контактная разность потенциалов; 
т
M  - тепловой потенциал; 
p  - концентрация дырок; 
n  - концентрация электронов; 
0
n
p
 - равновесная концентрация дырок в n-области; 
0
p
n
 - равновесная концентрация электронов в p-области; 
i
n  - собственная концентрация носителей заряда (концентрация электронов в полупроводнике с собственной проводимостью, равная концентрации в 
нем дырок); 
h  - постоянная Планка (
с
Дж
10
626075
,
6
34
˜
˜

); 
S
 
2
/
h
=
; 
0
H  - электрическая постоянная (
Ф/м
10
854
,
8
12

˜
). 
8 
 

 
Введение 
 
Создание современных приборов невозможно без использования достижений микроэлектроники. Сфера ее применения - это измерительные приборы, 
медицинская техника, системы управления, радиосвязи, навигации. Без развития микроэлектроники и создания цифровых микросхем высокой степени интеграции была бы невозможна информационная и технологическая революция. 
Начало развитию электроники было положено открытием радиоволн Генрихом Герцем в 1886 г. и созданием первых радиоприемных и радиопередающих устройств Александром Поповым и Гульельмо Маркони в 1895 году. Потребность в системах радиосвязи привела к тому, что уже в 1920-х годах начались первые опыты по созданию и применению в радиоприемных устройствах 
полупроводниковых приборов. Однако только в 1940-х годах, когда получила 
развитие физика твердого тела и физика полупроводников, микроэлектроника 
стала развиваться стремительными темпами. Уже в пятидесятых годах были созданы первые интегральные схемы. Достижения в области физики полупроводников и потребность промышленности, прежде всего космической и оборонной, в компактных, экономичных и надежных системах управления, дали импульс к развитию технологий получения сверхчистых полупроводниковых материалов и создания полупроводниковых структур. 
Исследования различных физических эффектов в полупроводниковых 
структурах привели к созданию на их основе большого количества разнообразных датчиков - приемников светового и теплового излучения, датчиков температуры, магнитного поля, химических сенсоров. 
Развитие технологий микроэлектроники привело к появлению микромеханических приборов - миниатюрных приводов и механических чувствительных 
элементов. Использование единой технологии для создания на одном кристалле 
механической и управляющей подсистем произвело очередную революцию в 
миниатюризации приборов. 
Первыми микромеханическими приборами, появившимися в 1970-х, были 
датчики давления. В начале 1980-х годов появились микромеханические расходомеры и акселерометры. В 1990-е годы появились микромеханические гироскопы, микрозонды, микровентили, системы химического анализа, головки 
струйных принтеров, микроприводы элементов проекционных дисплеев, торсионных зеркал, микромеханические схемы газовых хроматографических систем, устройств считывания накопителей большой ёмкости, и т. д. 
9 
 

В настоящее время размеры элементов интегральных микросхем составляют единицы нанометров, а число элементов на кристалле может достигать 
нескольких миллиардов. Сейчас уже освоены технологические процессы, обеспечивающие серийное производство интегральных схем с размерами элементов 
14 нм, в перспективе - переход к размеру 10 нм. Для сравнения заметим, что 
длина волны фиолетового излучения превышает 380 нм, т. е. размер элементов 
современных микросхем почти в сорок раз меньше длины волны видимого света В 2016 г. физики из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли 
(США) создали транзистор с длиной затвора 1 нм. Ранее считалось, что создать 
транзистор с длиной затвора менее 5 нм невозможно из-за квантовомеханических ограничений. 
Таким образом, современный специалист в области приборостроения должен знать основы физики полупроводников и физические основы работы основных полупроводниковых приборов, иметь представление об основах технологии полупроводников. Даже грамотное применение обычных полупроводниковых приборов требует хорошего понимания принципов их работы. 
10