Физика полупроводниковых приборов

 
 
 
 
 
В. И. Смирнов 
 
 
 
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ 
ПРИБОРОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023

 
УДК 621.382 
ББК 32.965 
С50 
 
Рецензенты: 
Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники 
им. В. А. Котельникова РАН (директор д-р техн. наук,  
профессор В. А. Сергеев); 
профессор кафедры конструирования и технологии электронных систем 
и устройств Самарского национального исследовательского университета 
им. академика С. П. Королева д-р техн. наук, профессор М. Н. Пиганов 
 
 
Смирнов, В. И. 
С50  
Физика полупроводниковых приборов : учебное пособие / В. И. Смирнов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 212 с. : ил., табл. 
 
ISBN 978-5-9729-1241-4 
 
Изложены физические основы работы полупроводниковых приборов. 
Особое внимание уделено процессам в электронно-дырочных переходах, 
составляющих основу практически всех полупроводниковых диодов, 
транзисторов и тиристоров. Отдельно выделены полупроводниковые 
элементы, предназначенные для работы в силовых устройствах и устройствах СВЧ-электроники. 
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 11.03.03 
«Конструирование и технология электронных средств», профиль «Конструирование и технология электронных средств». 
 
 
УДК 621.382 
ББК 32.965 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1241-4 
” Смирнов В. И., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………. 
6 
1. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ…………….. 
9 
1.1. Методы формирования электронно-дырочных переходов……….. 
9 
1.2. Электрические процессы в p-n-переходе в отсутствие  
внешнего напряжения…………………………………………………...14 
1.3. Выпрямляющие свойства p-n-перехода…………………………..18 
1.4. ВАХ реального р-n-перехода……………………………………… 
24 
1.5. Барьерная и диффузионная емкости р-n-перехода………………. 
28 
1.6. Переходные процессы в p-n-переходе……………………………. 33 
1.7. Пробой p-n-перехода………………………………………………. 36 
1.7.1. Лавинный пробой…………………………………………… 36 
1.7.2. Туннельный пробой………………………………………… 38 
1.7.3. Тепловой пробой……………………………………………. 40 
1.8. Контакт металл-полупроводник…………………………………... 
41 
1.8.1. Процессы в переходе металл-полупроводник…………….. 
42 
1.8.2. Выпрямляющие свойства барьера Шоттки……………….. 45 
1.8.3. Омические контакты металл-полупроводник…………….. 47 
1.9. Гетерогенный переход……………………………………………... 
49 
Контрольные вопросы……………………………………………………….. 
52 
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ…………………………………. 
53 
2.1. Общие сведения о полупроводниковых диодах…………………. 53 
2.2. Выпрямительные диоды…………………………………………… 
54 
2.3. Импульсные диоды………………………………………………… 
57 
2.3.1. Переходные процессы в импульсных диодах…………….. 57 
2.3.2. Диоды Шоттки………………………………………………. 
61 
2.3.3. Pin-диоды……………………………………………………. 63 
2.3.4. Диоды с накоплением заряда………………………………. 66 
2.4. Стабилитроны и стабисторы……………………………………… 67 
2.5. Варикапы…………………………………………………………….72 
2.6. Туннельные и обращенные диоды………………………………... 74 
Контрольные вопросы……………………………………………………….. 
81 
3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ…………………………………….. 
82 
3.1. Общие сведения о биполярных транзисторах…………………….82 
3.2. Режимы работы биполярных транзисторов и схемы  
включения……………………………………………………………….. 
86 
3.3. Физические процессы в биполярном транзисторе………………. 88 
3.4. Статические характеристики биполярного транзистора…………92 
Контрольные вопросы……………………………………………………….. 
97 
3 
 

4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ………………………………………….. 98 
4.1. Общие сведения о полевых транзисторах………………………... 98 
4.2. Полевые транзисторы с управляющим переходом…………….. 101 
4.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором……………...106 
4.3.1. Эффект поля в структуре «металл-диэлектрикполупроводник»………………………………………………….. 106 
4.3.2. МДП-транзисторы с индуцированным каналом………… 109 
4.3.3. МДП-транзисторы с встроенным каналом………………. 114 
Контрольные вопросы……………………………………………………… 
117 
5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ СИЛОВОЙ 
ЭЛЕКТРОНИКИ………………………………………………………….. 118 
5.1. Общие сведения о силовой электронике………………………... 118 
5.2. Тиристоры………………………………………………………….121 
5.2.1. Структура и принцип действия двухэлектродного  
тиристора…………………………………………………………. 121 
5.2.2. Триодные тиристоры……………………………………… 125 
5.2.3. Симметричные тиристоры (симисторы)………………..... 127 
5.2.4. Фототиристоры…………………………………………….. 
130 
5.3. Мощные силовые МДП-транзисторы…………………………… 
133 
5.4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором………….137 
5.5. Силовая электроника на широкозонных полупроводниках……... 141 
Контрольные вопросы……………………………………………………… 
144 
6. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ  
ПРИБОРЫ…………………………………………………………………..145 
6.1. Полупроводниковые светодиоды………………………………... 
145 
6.2. Полупроводниковые инжекционные лазеры…………………… 149 
6.3. Полупроводниковые фотоэлементы…………………………….. 155 
6.4. Фоторезисторы……………………………………………………. 
160 
6.5. Фотодиоды………………………………………………………… 
164 
6.5.1. Принцип действия фотодиода…………………………….. 
165 
6.5.2. Лавинные фотодиоды……………………………………... 168 
6.5.3. Р-і-п-фотодиоды…………………………………………… 171 
6.5.4. Фотодиоды с барьером Шоттки…………………………... 
172 
6.6. Фототранзисторы…………………………………………………. 174 
6.6.1. Биполярные фототранзисторы……………………………. 174 
6.6.2. Полевые фототранзисторы………………………………... 177 
Контрольные вопросы……………………………………………………… 
179 
7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ  
ДЛЯ СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКИ……………………………………………... 
180 
7.1. Общие сведения об СВЧ-электронике…………………………... 
180 
7.2. Лавинно-пролетные диоды………………………………………. 182 
4 
 

7.3. Диоды Ганна………………………………………………………. 
188 
7.3.1. Эффективная масса носителей заряда  
в полупроводниках……………………………………………….. 
189 
7.3.2. Эффект Ганна……………………………………………… 191 
7.3.3. Генерация электромагнитных колебаний  
в диоде Ганна……………………………………………………... 
192 
7.3.4. Конструктивные особенности диодов Ганна……………..195 
7.4. Транзисторы с высокой подвижностью электронов…………….196 
7.5. Гетеропереходные биполярные транзисторы……………………201 
Контрольные вопросы……………………………………………………… 
204 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………… 206 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ……………………………………………… 209 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………. 210 
 
 
 
5 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Дискретные полупроводниковые приборы наряду с интегральными 
микросхемами образуют элементную базу современных электронных 
устройств. К ним относятся диоды различного типа (выпрямительные, 
импульсные, светодиоды и фотодиоды, стабилитроны, варикапы и др.), 
биполярные и полевые транзисторы, тиристоры. Основным материалом 
для их изготовления является кремний. В значительно меньшей степени 
используют германий и полупроводниковые соединения А3В5 (GaAs, GaP, 
InP и др.) или А2В6 (ZnS, CdS, PbTe и др.). В последние годы резко вырос 
интерес к полупроводникам с большой шириной запрещенной зоны, в 
первую очередь, к GaN и SiC. 
Практически все полупроводниковые приборы, за исключением диодов Ганна, термо-, фото- и магниторезисторов, содержат один или несколько электронно-дырочных переходов (p-n-переходов). Поэтому в первой главе довольно подробно рассмотрены контактные явления в полупроводниках. Основное внимание уделено процессам, происходящим в 
гомогенных p-n-переходах, поскольку именно они определяют свойства 
большинства полупроводниковых приборов. Но также рассмотрены и переход металл-полупроводник и гетерогенный переход, образованный двумя полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны. Процессы, происходящие в области перехода «металл-полупроводник», определяют свойства диодов Шоттки и некоторых видов полевых транзисторов. 
Гетеропереходы составляют основу многих оптоэлектронных устройств, 
включая светодиоды и полупроводниковые лазеры, а также транзисторов 
силовой электроники и СВЧ-электроники. 
Во второй главе рассмотрены различные типы полупроводниковых 
диодов. Основное внимание уделено импульсным диодам, которые для выполнения своих задач должны обладать высоким быстродействием. К ним 
относятся диоды Шоттки, которые работают на основных носителях заряда; p-i-n-диоды, имеющие относительно широкую область собственной 
проводимости (i-область); диоды с накоплением заряда, обладающие осо6 
 

бой формой характеристики восстановления обратного тока. Рассмотрены 
также принципы действия туннельных и обращенных диодов, широко используемых для генерации электромагнитных СВЧ-колебаний. 
Третья глава посвящена биполярным транзисторам. Рассмотрены 
физические процессы, происходящие в транзисторах, включенных по схемам с общей базой и общим эмиттером. Объяснены особенности вольтамперных характеристик транзисторов, что необходимо для их практического использования. 
В четвертой главе рассмотрены полевые транзисторы с управляющим переходом и транзисторы с изолированным затвором. Дан анализ явлений, происходящих в структурах «металл-диэлектрик-полупроводник», 
которые составляют основу МДП-транзисторов с индуцированным и 
встроенным каналами. 
В пятой главе рассмотрены полупроводниковые приборы, предназначенные для использования в силовой электронике. Для коммутации 
больших электрических токов довольно давно используются различные 
виды тиристоров (диодные и триодные тиристоры, симисторы, фототиристоры). Хотя по быстродействию они уступают мощным МДП-транзисторам и IGBT-транзисторам (биполярным транзисторам с изолированным 
затвором), тем не менее, промышленностью они еще выпускаются в довольно больших объемах. Поэтому их принцип действия рассмотрен подробно. Больше внимания уделено мощным силовым МДП-транзисторам 
с вертикальной структурой и IGBT-транзисторам, в которых используются 
лучшие качества биполярных и силовых транзисторов. Именно эти два типа транзисторов в настоящее время доминируют на рынке электронных 
компонентов для силовой электроники. Отдельно рассмотрен вопрос о 
диодах и транзисторах на широкозонных полупроводниках, в частности, 
на карбиде кремния и нитриде галлия. Характерной особенностью таких 
полупроводников является большая ширина запрещенной зоны, высокие 
значения теплопроводности, радиационной стойкости и критической 
напряженности поля. Это позволяет использовать диоды и транзисторы на 
7 
 

таких полупроводниках в экстремальных условиях, а именно, при высокой 
температуре и радиационном воздействии. 
Последние две главы посвящены оптоэлектронным полупроводниковым приборам и приборам для СВЧ-электроники. Рассмотрены процессы в двойных гетроструктурах, состоящих из двух широкозонных полупроводников и находящегося между ними тонкого слоя из узкозонного 
полупроводника. Такие структуры активно используются в современных 
светодиодах и полупроводниковых лазерах. Достаточно подробно рассмотрены фотоприемные устройства, включая различные типы фотодиодов и фототранзисторов. Описаны принципы работы диодов Ганна и  
лавинно-пролетных диодов, которые широко применяются для генерации 
электромагнитных СВЧ-колебаний. Особое внимание уделено структурам 
на гетеропереходах, а именно, транзисторам с высокой подвижностью 
электронов (НЕМТ-транзисторам) и гетеропереходным биполярным транзисторам (НBT-транзисторам), которые выполняют обработку сигналов 
СВЧ-диапазона. 
 
 
8 
 

1. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ 
 
Под электронно-дырочным переходом (р-n-переходом) понимают 
переходный слой между двумя областями полупроводника с различным 
типом проводимости, в котором существует внутреннее электрическое 
поле. Электронно-дырочный переход является основой практически всех 
полупроводниковых приборов, а именно, различных типов диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, оптоэлектронных приборов 
(светодиодов и полупроводниковых лазеров). На его основе в полупроводниковых микросхемах создаются интегральные транзисторы, диоды, 
резисторы, конденсаторы, а также области, изолирующие вышеназванные 
элементы друг от друга. 
Кроме p-n-перехода для создания полупроводниковых приборов широко используются контакт «металл-полупроводник» и контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереход). 
Гетеропереход, обладая рядом специфических свойств, является основой 
современных полупроводниковых приборов СВЧ-диапазона, оптоэлектронных приборов (светодиодов и полупроводниковых лазеров), а также 
фотоприемников и солнечных батарей. 
 
1.1. Методы формирования электронно-дырочных переходов 
 
Сформировать p-n-переход непосредственным соприкосновением 
двух полупроводниковых кристаллов практически невозможно, так как на 
соприкасающихся поверхностях всегда присутствуют различного рода адсорбированные атомы, загрязнения, микротрещины и прочие дефекты, 
резко меняющие свойства полупроводников. Даже если предположить, 
что все эти загрязнения и дефекты с помощью химической или плазменной обработки устранены, сформировать качественный p-n-переход не 
получится. Причина в том, что сам факт наличия у кристалла свободной 
поверхности вызывает образование в запрещенной зоне полупроводника 
разрешенных энергетических уровней («таммовских поверхностных состояний», названных так в честь советского физика Тамма И. Е., лауреата 
9 
 

Нобелевской премии), что не позволяет обеспечить ряд важных свойств 
p-n-перехода. Успех в создании полупроводниковых приборов, использующих свойства p-n-перехода, был достигнут лишь тогда, когда его научились формировать внутри полупроводниковых монокристаллов. 
Исторически первым методом формирования p-n-перехода был 
сплавной метод, последовательность операций которого приведена на 
рис. 1.1. На поверхность пластины Si n-типа помещали небольшую таблетку из алюминия, после чего пластину с таблеткой нагревали до температуры около 580 ƒС, что немного превышает температуру эвтектики 
сплава AlSi. В результате нагрева граница между пластиной Si и таблеткой из Al расплавлялась, что сопровождалось активным перемешиванием 
атомов Al в расплаве Si. После охлаждения расплавленная область кристаллизовалась с образованием Si, легированного атомами Al, которые для 
кремния являются акцепторной примесью. Таким образом, в пластине Si с 
проводимостью n-типа получалась сильнолегированная акцепторной примесью область p-типа. Часть алюминиевой таблетки на поверхности пластины использовалась в качестве контактной площадки. Для формирования второго контакта на противоположной стороне пластине напыляли 
пленку из сплава AuSb, содержащую 0,1  Sb, и проводили термическую 
обработку при температуре 400 ƒС. Сплавной метод изготовления p-n-переходов в настоящее время практически не используется. 
 
 
 
Рис. 1.1. Формирование p-n-перехода сплавным методом 
 
Формирование p-n-переходов в настоящее время осуществляют 
тремя методами: диффузией примесных атомов, ионной имплантацией и 
эпитаксией. В диффузионном методе (рис. 1.2) пластины полупроводника 
10