Твердотельная электроника

 

Министерство образования и науки Российской Федерации 

 
 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 

 
 
 
 
 
 

В.Н. Давыдов 

 

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ 

ЭЛЕКТРОНИКА 

 

Учебное пособие 

 для студентов направления 2100100 

«Электроника и наноэлектроника», профиль 

 «Электронные приборы и устройства»  

 

 

 

ТОМСК  2013

Министерство образования и науки РФ  

 

ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ   
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ  

 

 
 
 
 
 
 
 

В.Н. Давыдов 

 
 
 
 
 
 

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ 

ЭЛЕКТРОНИКА 

 
 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

2013 

 
 

 
 

Давыдов В.Н. 
Твердотельная электроника: Учеб. пособие.  Томск: ТУСУР,  2013.   175 с. 

 

В учебном пособии изложены основные физические явления в твердых телах, 

положенные в основу работы базовых элементов современной твердотельной электроники. В 
качестве теоретической базы курса рассмотрены основы зонной теории твердых тел, 
механизмы поглощения излучения полупроводниками, их фотоэлектрические и эмиссионные 
свойства, а также явления, протекающие вблизи контакта двух материалов и в 
приповерхностных слоях полупроводников. Рассмотрены твердотельные приборы, принцип 
работы которых основаны на рассмотренных явлениях и свойствах твердых тел: 
фоторезисторы, фотоприемные элементы на основе фотоэдс различной природы, 
полупроводниковые 
лазеры, 
светодиоды, 
матричные 
фотоприемные 
устройства, 

гетеропререходы, варикапы, полевые и биполярные транзисторы, тиристоры т.д. Указаны 
перспективные направления развития материаловедческой и технологической базы 
твердотельной электроники, принципов построения новых электронных устройств.  

Пособие предназначено для студентов технических вузов, обучающихся по заочной 

форме, в том числе с применением дистанционных технологий. Для освоения материала 
пособия не требуется специальных знаний, кроме знания основ высшей математики и общей 
физики в объемах, осваиваемых на первых курсах вузов. Оно будет также полезно студентам 
дневной формы обучения, испытывающим трудности в освоении курса «Твердотельная 
электроника», а также изучающим близкие по направлению дисциплины.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                     Давыдов Валерий Николаевич, 2013                              
                                                                                     

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………....

2. ЭЛЕМЕНТЫ  ЗОННОЙ  ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ  ТЕЛ……...…………………..

2.1. Общие положения………………………………………….……………….

2.2. Модельные представления…………………………………………………

2.3. Зонная диаграмма и электропроводность…………………………………

2.4. Квазиимпульс электрона. Долины энергии и зона ..……………..………

2.5. Положительно заряженные квазичастицы – дырки………………………

2.6. Движение частиц под действием электрического поля.…………………

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ  ОПТИЧЕСКОГО  ИЗЛУЧЕНИЯ  

С  ТВЕРДЫМИ  ТЕЛАМИ……………………………………..…………….…

3.1. Основные параметры процесса поглощения излучения 

в полупроводниках………………………………………………………….

3.2. Основные механизмы поглощения излучения……………………………

3.3. Собственное поглощение. Прямые и непрямые переходы………………

3.4. Примесное поглощение излучения……………………….……………….

3.5. Поглощение свободными носителями (внутризонное                            

поглощение)..………………………………………………………………..

3.6. Решеточное поглощение……………………………………………………

4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  ЯВЛЕНИЯ  В  ПОЛУПРОВОДНИКАХ………..

4.1. Основные понятия и параметры…………………………………………...

4.2. Фотопроводимость полупроводников. Собственная и 

примесная фотопроводимость…………………………….……………….

4.3. Фотовольтаические эффекты в полупроводниках……………………….

4.4. Квазиуровни Ферми в полупроводниках……………….…………………

4.5. Фотоэдс в однородных полупроводниках (фотоэдс Дембера)…………..

4.6. Фотоэдс в неоднородных полупроводниках (объемная фотоэдс)……….

4.7. Барьерная фотоэдс………………………………………………………….

4.8. Применение фотоэлектрических явлений в твердотельной 

электронике……………………………………………………………….. 

7

9

9

10

13

19

24

28

34

34

39

40

44

45

47

48

51

60

65

67

69

73

79

5. ЭМИССИЯ  ИЗЛУЧЕНИЯ  ИЗ  ТВЕРДЫХ  ТЕЛ…………………………….

5.1. Описание излучательных процессов в полупроводниках……………..

5.2. Спектр излучения твердого тела…………………………………………

5.3. Спонтанное и вынужденное излучение атома………………………….

5.4. Полупроводниковые лазеры……………………………………………..

5.5. Светодиоды……………………………………………………………….

6. КОНТАКТНЫЕ  ЯВЛЕНИЯ  В  ПОЛУПРОВОДНИКАХ.…………………...

6.1. Работа выхода ……………………………………………………………

6.2. Контакт полупроводника с металлом. Диоды Шоттки………………..

6.3. Полупроводниковые p-n переходы……………………………………...

6.4. Биполярный транзистор………………………………………………..

6.5. Полупроводниковые тиристоры……………………………...................

6.6. Полупроводниковые гетеропереходы…………………………………..

6.7. Применение контактных свойств в твердотельной 

электронике……………………………………………………………….

7. ПОВЕРХНОСТНЫЕ  ЯВЛЕНИЯ  В  ПОЛУПРОВОДНИКАХ...…………….

7.1. Общие свойства поверхности полупроводников……………………….

7.2. Энергетическое состояние поверхности 

в электрическом поле…………………………………………………….

7.3. Электрофизические характеристики МДП-структуры…………………

7.4. Фотоэлектрические характеристики МДП-структуры………………....

7.5. Применение поверхностных свойств полупроводников

в твердотельной электронике…………………………………………….

8. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ В ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ………….

8.1. Общие сведения о жидких кристаллах………………………………….

8.2. Основные свойства жидких кристаллов…………………………………..

8.3. Типы им структура жидких кристаллов………………………………….

8.4. Ориентационные эффекты в жидких кристаллах………………………..

8.5. Оптические свойства жидких кристаллов………………………………...

81

81

85

89

96

101

102

106

111

115

118

119

122

124

124

125

128

132

135

137

137

138

140

144

149

8.6. Применение жидких кристаллов в твердотельной электронике………...

9. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ……………………………….. …...

9.1. Общие сведения о сверхпроводимости…………………………………...

9.2. Теория сверхпроводимости (теория БКШ)……………………………….

9.3. Поведение сверхпроводников в магнитном поле………………………..

9.4. Поведение сверхпроводников в электрическом поле……………………

9.5. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости…………………..

9.6. Применение сверхпроводимости в твердотельной электронике………..

10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ………..

11. ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………………….

155

160

160

162

165

168

170

172

173

175

 

          

1. ВВЕДЕНИЕ 

 

При решении технических задач, в своей повседневной деятельности мы 

широко 
используем 
различные 
приборы 
и 
устройства 
твердотельной 

электроники. Применение твердотельных электронных приборов в различных 

сферах деятельности человека не случайно: они отличаются малыми 

габаритами и малым энергопотреблением, высоким быстродействием и 

высокой чувствительностью к внешним воздействиям (оптическому и 

корпускулярному излучению, электрическому и магнитному полям, упругим 

напряжениям, адсорбции-десорбции примесных молекул и т.д.), простотой и 

гибкостью управления, универсальностью выполняемых функций. В результате 

разработки и широкого применения приборов и методов твердотельной 

электроники в настоящее время развивается около двадцати ее отдельных 

направлений: оптоэлектроника, акустоэлектроника, пьезоэлектроника, магнито
электроника, криоэлектроника, хемотроника, молекулярная электроника, 

наноэлектроника, биоэлектроника и т.д.  

          Как и все объекты природы, это направление науки и техники имеет свою 

диалектику развития, сопровождающегося накоплением количественных 

изменений и последующим качественным переходом в новое состояние, в 

котором сохраняются перспективные элементы предыдущего состояния. 

Чтобы представить путь развития твердотельной электроники и лучше 

понять изменение требований к ней в будущем, обратимся к истории. Первые 

элементы электронной техники на основе твердого тела в виде детекторов на 

контактах металлической иглы к полупроводниковому кристаллу появились в 

двадцатые годы прошлого столетия. Исследование этих контактов привело к 

созданию первых приборов твердотельной электроники: диодов на основе 

контактов металл-полупроводник. По мере развития теории твердого тела были 

созданы более надежные и более качественные диоды на основе контактов 

полупроводников 
разного 
типа 
проводимости. 
Но 
всех 
задач 
по 

преобразованию сигналов полупроводниковые диоды решить не могли. 

Следующий качественный скачок в развитии твердотельной электроники 

произошел в пятидесятые годы XX века в связи с изобретением Шокли и 

Брадстейном нового элемента – биполярного транзистора на основе структур 

p
n
p


 и 
n
p
n


. С помощью транзисторов многие операции по 

преобразованию сигналов удалось значительно улучшить, переведя их с 

вакуумной техники на твердотельную, а также создать принципиально новые 

приборы, не имеющие аналогов среди приборов вакуумной техники. Это 

различные датчики внешних сигналов, тиристоры, симисторы и т.д.  

Однако в конце шестидесятых годов ХХ века в твердотельной 

электронике возникла кризисная ситуация, связанная с низкой надёжностью 

сверхсложных электронных схем (прежде всего электронно-вычислительных 

машин и периферии к ним), их большими габаритами и высоким 

энергопотреблением. Эта кризисная ситуация была преодолена с помощью 

идей и технологий интегральной микроэлектроники. В результате их развития 

появились микросхемы различного назначения, содержащие в себе сотни тысяч 

транзисторов, диодов, планарных резисторов и емкостей. Однако последующее 

развитие и совершенствование техники, ориентированное преимущественно на 

решение информационных задач, создание вычислительной техники, показало, 

что многие проблемы решаются средствами микроэлектроники неоптимальным 

способом. В первую очередь это касалось принципов функционирования 

устройств ввода и вывода информации, увеличения памяти компьютера, 

отображения информации, увеличения ёмкости соединительных проводов, 

повышения быстродействия и снижения энергопотребления. Более того, с 

развитием 
фундаментальной 
науки 
появились 
материалы 
с 
новыми 

электронными свойствами, которые могут быть использованы в решении задач 

твердотельной 
электроники. 
К 
ним 
относятся 
жидкие 
кристаллы, 

сверхпроводники, 
синтезированные 
с 
помощью 
новейшей 
технологии 

различные квантовые структуры: сверхрешетки, квантовые ямы и т.д. В 

результате включения этих материалов, новых физических явлений, новых 

свойств в арсенал материалов и методов твердотельной электроники произошел 

очередной качественный скачок, выразившийся в появлении оптоэлектроники, 

акустоэлектроники, пьезоэлектроники, наноэлектроники и т.д. Развитие этих 

направлений позволит в ближайшие годы решить проблемы современной 

твердотельной электроники: создание 
принципиально новых приборов 

твердотельной электроники, наращивание их функциональных возможностей, 

повышение надежности, снижение габаритов и энергопотребления и т.д.  

        Целью данного курса является изучение основных физических явлений и 

закономерностей, происходящих в объеме твердого тела или в его 

приповерхностном слое, которые используются или могут быть использованы 

для решения фундаментальных задач твердотельной электроники.    

 

2.  ЭЛЕМЕНТЫ  ЗОННОЙ  ТЕОРИИ  ТВЕРДЫХ  ТЕЛ       

         2.1. Общие положения 

Ввиду того, что подавляющее число приборов и устройств твердотельной 

электроники используют свойства полупроводников, начнём изучение данного 

курса с рассмотрения фундаментальных свойств твердых тел. Нас интересуют 

преимущественно их электрические и оптические свойства.  

Если рассматривать какое-либо электрическое или оптическое явление в 

твердом теле, то для понимания физических процессов, которые формируют 

данное 
явление, 
необходимо 
знать 
поведение 
в 
заданных 
условиях 

элементарной частицы: электрона - именно он определяет свойства твердого 

тела при действии на него различных физических полей. Исторически первой 

средой, в которой были изучены электронные явления, был газ. Последующее 

развитие науки и техники привело к необходимости изучения электронных 

процессов 
в 
твердых 
телах. 
Однако 
уже 
первые 
эксперименты 
с 

электропроводностью твердых тел показали, что она не может быть объяснена 

развитой к тому времени классической электронной теорией, хорошо 

объясняющей поведение электронов в вакууме и газах. Было непонятно: как, 

имея огромное количество электронов (находящихся у атомов), твердые тела 

различного физико-химического состава имеют различающиеся на многие 

порядки электропроводности; почему их электропроводности по-разному 

зависят от температуры, освещения и т.д.?  

На эти и другие вопросы классическая электронная теория ответить не 

могла, и потому были предприняты попытки построения новой теории - теории 

твердого тела. 

 

2.2. Модельные представления 

  
Модель Зоммерфельда. Исторически первой моделью, объясняющей 

электрические свойства твердых тел, была модель, разработанная немецким 

физиком Зоммерфельдом. В ее основе лежали ряд упрощающих допущений о 

физическом строении кристалла и механизмах взаимодействия его частиц с 

между собой и решеткой. 

1. Поскольку атом является квантовой системой, то строгий подход к 

объяснению электропроводности твердых тел должен строиться на основе 

квантовых представлений об их строении. На момент создания теории 

Зоммерфельда в физике была хорошо разработана спектроскопическая модель 

атома, описывающая его состояния с помощью энергетического спектра атома 

в виде дискретного набора энергетических моноуровней. Однако в то время 

механизмы взаимодействия атомов в твердых телах не были известны, и 

Зоммерфельду ничего не оставалось, как считать атомы твердого тела 

невзаимодействующими между собой. Следовательно, каждый уровень энергии 

спектра изолированного атома в кристалле оказывался вырожден N  раз, где N - 

число атомов в кристалле (N  имеет порядок 
23
10
).  

2. Из этой модели следовало, что для того, чтобы оторвать электрон от 

атома и перевести его в межатомное пространство, необходимо атому сообщить 

энергию, равную энергии ионизации изолированного атома 
ion
E
. Обычное его 

значение составляет большую величину, достигающую несколько электроно
вольт. Этот электрон в межатомном пространстве Зоммерфельд считал уже 

классической частицей, способной менять свою энергию на сколь угодно