Физические основы микро- и наноэлектроники

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

А. А. Дурнаков 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

2-е издание, стереотипное

＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠  ＠ﾫﾻ＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠ＲＰＲ2＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠     ＲＰＲ2

УДК 621.382.049.77:53(075.8) 
ББК 32.844я73 
          Д84

Р е ц е н з е н т ы:

канд. техн. наук, доц., руководитель департамента дистанционного 
образования Уральского государственного колледжа 

им. И. И. Ползунова В. В. Кийко;

начальник отдела «НПО автоматики им. академика 

Н. А. Семихатова» А. С. Наронов 

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р

проф., канд. техн. наук А. А. Калмыков 

Д84

Дурнаков А. А.
Физические основы микро- и наноэлектроники : учебное 
пособие / А. А. Дурнаков. – 2-е изд., стер. – Москва : 
ФЛИНТА ; Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2022. — 248 с. —
ISBN 978-5-9765-5060-5 (ФЛИНТА) ; ISBN 978-5-7996-3351-6 
(Изд-во Урал. ун-та). — Текст : электронный.

Пособие содержит описания физических эффектов и их компо
нентов, классификацию веществ, модели энергетических зон и ковалентных связей, физическое описание собственного и примесного 
полупроводника, применение и характеристики однородных полупроводников. Рассмотрено равновесное и неравновесное состояние 
p‑n перехода, токи в нем, виды пробоев, туннелирование в сильнолегированных p‑n переходах, гетеропереходы,   вольтамперные характеристики переходов. В конце пособия приводятся практические 
и домашние задания.

УДК 621.382.049.77:53(075.8)
ББК 32.844я73 

ISBN 978-5-9765-5060-5 (ФЛИНТА)                                © Уральский федеральный

университет, 2022

ISBN 978-5-7996-3351-6 (Изд-во Урал. ун-та)
© Дурнаков А. А., 2022

Предисловие 

И

спользование полупроводников в электронике прошло длительный путь — от первого детектора на кристалле сернистого свинца до современных микропроцессоров. Такой 
результат достигнут благодаря успехам технологии, которая опирается на физическую электронику. В наши дни развитие микро- и наноэлектроники непрерывно стимулируется успехами в области физики 
полупроводников и в области технологии производства новых полупроводниковых структур.
Физической электроникой называют науку, которая занимается 
изучением и использованием потоков движущихся электронов, порождающих электрический ток, и так принято называть науку, изучающую электронные свойства некоторых твердых тел, кроме того, 
методы получения материалов с такими характеристиками, которые 
позволяют создавать устройства для передачи и накопления электронов. При этом рассматриваются не любые материалы, а лишь полупроводники, характеристики которых интересны с точки зрения технических приложений.
Дисциплина «Физические основы микро- и наноэлектроники» относится к группе естественно-научных дисциплин и ее целью является изучение физики электрических явлений в твердых телах. Особое 
внимание уделяется основам зонной теории твердых тел, физическим 
механизмам и математическому описанию основных (электрических, 
тепловых, оптических и магнитных) свойств равновесных, неравновесных полупроводников, особенностям контактов различных веществ, 
поверхностным состояниям твердых тел; рассматриваются различные 
физические эффекты, а также их применение в различных приборах 
и элементах. Пособие охватывает только часть материала, изучаемого в рамках дисциплины «Физические основы микро- и наноэлектроники».

1. Физический эффект  и его компоненты 

1. Физический эффект  
и его компоненты 

1.1. Определение физического эффекта
Д

ля однозначности толкования понятия «физический эффект» (ФЭ) принято следующее определение: физический 
эффект — это закономерность проявления результатов вза
имодействия объектов материального мира, осуществляемого посредством физических полей. При этом закономерность проявления характеризуется последовательностью и повторяемостью при идентичности 
взаимодействия.

Все физические поля и их модификации будем рассматривать как 

воздействие в отрыве от тех материальных объектов, от которых они 
исходят.

Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект 

(в дальнейшем — объект), которым может быть отдельный элемент или 
совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определенную структуру. Так, к объектам могут быть отнесены: системы из макротел (в т. ч. детали приборов, механизмов и др.), макротела (твердое 
тело, жидкость, кристалл и т. д.), молекула, атом, части атомов и молекул, частицы и т. д.

Результаты воздействия — это эффекты, проявляющиеся на объ
ектах (или в окружающем их пространстве), на которые направлены 
определенные воздействия. Результатами воздействия являются те же 
физические поля, которые относятся к воздействиям. Этим обусловливается взаимосвязь между ФЭ, которая используется в объектах техники. К результатам воздействия относятся также измерения параметров объектов (размеров, формы, диэлектрической проницаемости 
и т. д.). При постоянстве условий взаимодействия и свойств объекта 
проявляются одни и те же результаты воздействия.

1.1. Определение физического эффекта

Схематическое изображение ФЭ (рис. 1) позволяет наглядно представлять физические процессы, происходящие при взаимодействии 
материальных объектов, в т. ч. в объектах техники.

             А        
        С 

В

Рис. 1. Структурная схема физического эффекта;
А ‒ воздействие; В ‒ физический объект, на который оказывается воздействие; 
С ‒ результат воздействия (эффект) 

Анализ информации об известных ФЭ позволил выявить следующие закономерности их проявления.

1) При одном воздействии на объект может проявляться несколько 
результатов воздействия. Их число зависит от структуры физического объекта. Чем менее сложен по своей структуре объект, 
тем меньшее число результатов воздействия на нем проявляется. Изменяя число и состав структурных элементов, при заданном воздействии можно получить необходимые результаты воздействия.

2) На один объект может быть оказано несколько воздействий. Их 
можно подразделить на основные и дополнительные. Основным 
воздействием на объект является такое, результат от которого 
представляет другое, отличное от воздействия, физическое поле. 
Дополнительное воздействие — такое, которое приводит лишь 
к количественному изменению результата, получаемого от основного воздействия. Дополнительными воздействиями могут 
являться постоянно действующие воздействия, например гравитационное и тепловое поля, а также воздействия, оказываемые объектами окружающей среды. Так, на ФЭ возникновения 
магнитного поля при протекании электрического тока, где воздействием является электрическое поле, может быть дополнительно оказано воздействие, например, магнитным полем, что 
вызовет изменение электрического сопротивления проводника 
(магниторезистивный эффект). Дополнительные воздействия 
не могут вызвать данного результата без основного воздействия.

3) На одном объекте могут проявляться несколько ФЭ. Если какоелибо воздействие приводит к новому результату воздействия, 

1. Физический эффект и его компоненты  

то налицо проявление на одном объекте двух разных ФЭ. Эта 
особенность является основой для многофункционального использования элементов объектов техники. Любые два ФЭ или 
более, проявляющиеся на одном объекте, оказывает влияние 
друг на друга. Это влияние объясняется участием структурных 
элементов объекта в проявлении обоих ФЭ.

4) Значение результата воздействия можно регулировать; оно об
условливается следующими факторами: количественным изменением воздействия, введением дополнительных воздействий, 
введением еще одного основного воздействия, изменением структуры объекта, изменением параметров объекта. Это 
свойство лежит в основе технической реализации таких функций объектов техники, как усиление, ослабление, преобразование, модуляция, выравнивание, проводимость, непроводи- 
мость и др.

5) При постоянстве условий воздействия и свойств объекта прояв
ляются одни и те же результаты воздействия, одни и те же значения их параметров. Эта закономерность обусловлена стабильностью структуры объекта, на который оказывается воздействие, 
и стабильностью свойств элементов структуры.

1.2. Физические эффекты в электронике

Физический эффект — это реальное явление, происходящее в фи
зической системе и характеризующееся причинно-следственной связью между двумя или несколькими величинами. Уточним структуру 
физического эффекта.

В электронике чаще всего рассматриваются следующие воздействия: 

электрическое, механическое, магнитное, тепловое, оптическое, радиационное и акустическое.

Физические объекты электроники многообразны и могут быть клас
сифицированы по ряду признаков, например:

1) по агрегатному состоянию — газ, жидкость, твердое тело;
2) по составу вещества — простые (германий, кремний, селен и др.) 

и составные (антимонид индия, арсенид галлия, карбид кремния и др.);

1.2. Физические эффекты в электронике

3) по структуре — однородные, неоднородные и контакты. Среди 
контактов можно выделить следующие — проводник-проводник, 
полупроводник-полупроводник (гомопереходы и гетеропереходы), металл-полупроводник, металл-диэлектрик-полупроводник;
4) по величине электропроводности — проводник, полупроводник, 
диэлектрик, сверхпроводник;
5) по величине магнитной проницаемости — ферромагнетики, парамагнетики, диамагнетики, ферримагнетики;
6) по виду вольтамперной характеристики — объекты с линейной, 
параболической, экспоненциальной, N-образной, S-образной 
характеристикой и т. д.
Результаты воздействия или эффекты, встречающиеся в электронике, также многообразны. Перечислим некоторые из них: изменения агрегатного состояния, электропроводности, силы и плотности 
тока, напряжения, магнитной индукции, магнитной проницаемости, 
температуры, давления; перемещение Δх, излучение, возникновение 
акустических волн, появление потока частиц, возникновение радиочастотных колебаний и т. д.

2. Однородный  полупроводник 

2. Однородный  
полупроводник 

2.1. Собственный полупроводник 

Классификация веществ
В

се вещества по электрофизическим свойствам могут быть разделены на три больших класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. Наиболее просто, казалось бы, классифи
цировать вещества по удельной электрической проводимости σ (или 
по удельному электрическому сопротивлению ρ). В создании электрического тока могут принимать участие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому электропроводность вещества 
тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится 
подвижных носителей электрических зарядов. В металлах практически все валентные электроны свободны, что и обусловливает их высокую электропроводность.

При Т = 300 К у проводников удельная электрическая проводи
мость имеет значения 10 4–10 6 См/см (напомним, что 1 См/см есть 
проводимость 1 см 3 вещества), у диэлектриков она меньше — 10–10 
См/см, а у полупроводников ее значения находятся в пределах 10–10–
10 4 См/см. Как видно, для полупроводников характерен очень широкий диапазон удельной проводимости. Поэтому значения удельной 
проводимости не могут служить в качестве однозначного критерия 
для классификации веществ.

Характерной особенностью полупроводников является ярко выра
женная температурная зависимость удельной электрической проводимости. С повышением температуры, она, как правило, увеличивается 
на 5‒6 % на градус, в то время как у металлов удельная электрическая 

2.1. Собственный полупроводник 

проводимость с повышением температуры падает на десятые доли процента на градус. Кроме того, удельная электрическая проводимость полупроводника также резко возрастает при введении в него незначительного количества примеси, а металлических сплавов — уменьшается.

Итак, полупроводник — это вещество, электропроводность кото
рого занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками; основным свойством этого вещества является сильная 
зависимость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температура, концентрация примесей, световое и ионизирующее 
излучение и др.). Большинство известных веществ относится именно к полупроводникам. К полупроводникам относятся элементы четвертой группы периодической таблицы Менделеева, а также химические соединения элементов третьей и пятой групп типа AIII BV (GaAs, 
InSb) и второй и шестой групп типа AII B VI (CdS, BbS, CdFe). Ведущее 
место среди полупроводниковых материалов, используемых в полупроводниковой электронике, занимают кремний, германий и арсенид галлия GaAs.

Собственный полупроводник или полупроводник i-типа (от англ. 

intrinsic — собственный) — это идеально чистый полупроводник, т. е. 
влиянием примеси на его свойства можно пренебречь.

Модель ковалентной связи

Полупроводники, как правило, — твердые тела с регулярной кри
сталлической структурой — монокристаллы. Их кристаллическая решетка состоит из множества повторяющихся и примыкающих друг 
к другу элементарных ячеек той или иной формы и размера.

Собственные полупроводники имеют кристаллическую структуру, 

характеризующуюся периодическим расположением атомов в узлах 
пространственной кристаллической решетки. Взаимное притяжение 
атомов кристаллической решетки осуществляется за счет ковалентной 
связи, т. е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной 
орбите вокруг этих атомов. Согласно принципу Паули, общую орбиту могут иметь только два электрона с различными спинами, поэтому число ковалентных связей атома определяется его валентностью.

Рассмотрим модель ковалентных связей на примере германия или 

кремния (четвертая группа периодической таблицы Менделеева). Они 
образуют кубическую решетку типа алмаза, которая состоит из тетра- 

2. Однородный полупроводник  

эдров; расстояние между смежными атомами около 0,5 нм. В такой 
решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними атомами 
ковалентными связями (рис. 2), в результате влияния которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных оболочек, состоящих из восьми электронов.

Ge

Ge

Ge
Ge
Ge

Рис. 2. Ковалентная связь между атомами германия 

Как видно на рисунке, вокруг каждой пары атомов движутся по ор
битам 2 валентных электрона, показанных жирными точками. В условном плоскостном изображении такой кристаллической решетки 
(рис. 3) ковалентные связи показаны в виде прямых линий, а электроны — по-прежнему в виде точек (иногда для упрощения электроны вообще не показывают).

При температуре абсолютного нуля (T = 0° K) все валентные элек
троны находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют и полупроводник подобен диэлектрику.

При повышении температуры или при облучении полупроводника 

лучистой энергией, валентный электрон может выйти из ковалентной 
связи и стать свободным носителем электрического заряда. При этом 
ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное 
(вакантное) место, которое может занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное место переместится 
к другой паре атомов. Перемещение вакантного места внутри кристаллической решетки можно рассматривать как перемещение некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный заряд принято 
называть дыркой (рис. 4).