Основы полупроводниковой электроники

Д. В. Игумнов
Г. П. Костюнина
ОСНОВЫ 
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ 
ЭЛЕКТРОНИКИ

2-е издание, 
дополненное

Допущено УМО по образованию 
в области прикладной информатики 
в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 
«Прикладная информатика» и другим 
междисциплинарным специальностям

Москва
Горячая линия - Телеком
2011

621.396.6 
32.852 
28

: .-. , . . . , . . . ., . .
28      . . – 2-., . – .: – ,
2011. –  394 .: .
ISBN 978-5-9912-0180-3.
. , , . . . (1995 .) , «» «». 
, , , .
32.852 
WWW.TECHBOOK.RU

, 2-, . . . . -. . 02.03.11.  6090 1/16., . . . 24,5.  . 110180.  1000 (1-500 .)

ISBN 978-5-9912-0180-3                    © . . , . . , 2011 
               ©  «–», 2011 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Электроникой принято называть широкую область науки и техники, охватывающую изучение процессов переноса и взаимодействия электрических зарядов в материалах и приборах, изготовленных на их основе, разработку этих приборов и создание
устройств обработки и хранения информации, а также общие вопросы применения электронных устройств. В электронике можно
выделить ряд основных направлений: физическую электронику,
прикладную информационную электронику, энергетическую промышленную электронику и др. Конечно, особо следует представить одну из лидирующих в современном развитии среди областей электроники – микроэлектронику, являющуюся основной
частью полупроводниковой электроники. Именно благодаря микроэлектронике на сегодняшний день трудно найти область науки
и техники, где электроника еще не нашла своего применения.
Однако современный уровень развития требует все большего
насыщения различными электронными устройствами научноисследовательских, оборонных, промышленных и других объектов.
История электроники относительно коротка. Предтечей ее
следует считать открытие радио нашим соотечественником
А. С. Поповым в 1895 г. Один из первых значительных шагов на
пути развития электроники сделал американский изобретатель
Л. де Форест, предложивший в 1906 г. первый усилительный электронный элемент – ламповый триод. В 1920 г. О. В. Лосевым был
впервые использован полупроводниковый элемент для получения усиления и генерации электрических сигналов. Примерно со
времени этого события происходит постепенное нарастание интересов к полупроводниковой электронике, и хотя практически
она остается «чисто ламповой», все больше и больше выполняется интересных исследований по физике полупроводников
и полупроводниковых элементов, среди которых одно из ведущих мест занимали работы   А. Ф. Иоффе и его учеников. Из работ
этого периода развития электроники следует отметить статью
немецкого физика В. Шотки, разработавшего теорию контакта
металлполупроводник, который широко используется в совре

менной полупроводниковой электронике. Особо выделим основополагающее изобретение американского инженера Г. Блэка по
использованию отрицательной обратной связи. Сейчас ясно любому электронщику, что без отрицательных обратных связей даже
невозможно представить себе современную электронику. Однако тогда, в 1928 г., патентное ведомство США назвало это фундаментальное предложение «глупой затеей».
В 1948 г. американские физики Дж. Бардин и В. Браттейн обнаружили эффект усиления тока в полупроводниковой структуре
с двумя рn переходами. Это революционное событие в электронике привело к созданию В. Шокли биполярного транзистора –
основного и на сегодняшний день активного (усилительного) элемента полупроводниковой электроники. В дальнейшем электроника стала развиваться очень быстрыми темпами: ежегодно
появлялись новые типы полупроводниковых приборов, улучшалась технология их изготовления, создавались различные устройства информационной и энергетической электроники и т.д.
Электроника становится незаменимой помощницей во многих областях производства и науки, обороны и космических исследований. В конце шестидесятых годов появляются первые изделия
микроэлектроники – интегральные схемы (микросхемы), которые
быстро совершенствовались и стали основными изделиями современной электроники.
Современная электроника – это полупроводниковая электроника. Сегодняшний этап ее развития характеризуется быстро
растущей степенью интеграции; уже созданы интегральные схемы, содержащие на одном полупроводниковом кристалле более
106 элементов. В перспективе развития полупроводниковой электроники намечается функциональное укрупнение конструктивных
единиц за счет использования новых физических явлений, позволяющих с помощью простых нерасчленяемых структур осуществить функции, обычно реализуемые с помощью многоэлементной сложной цепи или устройства. Реализация такого принципа
соответствует появлению новых типов изделий полупроводниковой электроники. Они и представляют собой новый этап развития электроники – функциональную электронику.
Каждый технически грамотный человек должен знать электронику. Посильный вклад в решение этой задачи стремятся внести и авторы настоящей книги. Ее материал изложен в достаточно
краткой форме. Книга предназначается для широкого круга ин

женернотехнических специалистов смежных с электроникой
областей, которые занимаются вопросами, требующими от них
дополнительных знаний по электронике. В настоящей книге
авторы стремились изложить материал таким образом, чтобы,
сохранив известную строгость, дать возможность сравнительно
легко разобраться в нем лицам, которые не получили фундаментальной подготовки по физике и электротехнике. Она может быть
использована и как дополнительное учебное пособие для студентов соответствующих факультетов вузов и техникумов.
Предлагаемая вниманию читателей книга содержит 17 глав.
В первых пяти главах сообщаются необходимые сведения о полупроводниковых элементах, на основе которых выполняются современные электронные устройства. Последующие пять глав посвящены рассмотрению разнообразных, прежде всего микроэлектронных усилителей. В гл. 11 описаны частотноизбирательные устройства, а в гл. 12 – вторичные источники электропитания. Последние пять глав посвящены устройствам дискретного
действия: транзисторным ключам, логическим элементам, устройствам памяти, генераторам импульсных сигналов и некоторым цифровым устройствам. В книге использованы фрагменты
лекций, читаемых авторами в течение многих лет в Московском
институте радиотехники, электроники и автоматики.
Авторы благодарны Бабенко В. П., Дрожжеву В. В., Изъюровой Г. И., Королеву Г. В., Левинсону Г. Р. и   Матсону Э. А. за критические замечания и советы, сделанные при обсуждении отдельных
разделов книги.

Глава 1. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНЫХ
ПЕРЕХОДОВ

1.1. СТРУКТУРА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В абсолютном большинстве случаев устройства современной
электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. Полупроводниками обычно называют материалы, удельное
сопротивление которых больше, чем у проводников (металлов),
но меньше, чем у изоляторов (диэлектриков). Сразу следует заметить, что различие между полупроводниками и диэлектриками только количественное, тогда как различие между полупроводниками и металлами более принципиальное – качественное.
Полупроводники являются разновидностью диэлектриков: можно сказать, что они являются диэлектриками с уменьшенным
удельным сопротивлением, тогда как с металлами у них значительно меньше общего.
Для того чтобы представить особенности полупроводниковых
материалов, следует рассмотреть их структуру и энергетические зоны.
Любое твердое тело представляет собой множество атомов,
сильно взаимодействующих друг с другом благодаря малым межатомным расстояниям. Эти расстояния минимальны у металлов и максимальны у диэлектриков. Однако в любом случае всю
совокупность атомов в куске твердого тела следует рассматривать как единую целую структуру, которая подобно атому характеризуется некоторым единым энергетическим спектром.
Особенность этого спектра в том, что он состоит из дискретных
разрешенных зон.
Строго говоря, разрешенные зоны сами имеют дискретную
структуру и состоят из большого числа разрешенных уровней
(равного числу атомов в рассматриваемом образце), но энергетические расстояния между ними малы (~10–22 эВ), поэтому иногда разрешенные зоны можно считать сплошными.

На рис. 1.1 приведена зонная диаграмма для
полупроводника. Прежде всего следует обратить
внимание на запрещенную зону (зону запрещенных энергий), которая разделяет разрешенные
зоны. Отметим, что у диэлектриков ширина запрещенной зоны больше, чем у полупроводников,
а у металлов разрешенные зоны сливаются, так
что запрещенной зоны у них нет. Ширина запрещенной зоны εз, определяющая энергетический
промежуток запрещенных энергий, является
важнейшим параметром полупроводника. Для наиболее часто
используемых в электронике полупроводников германия, кремния и арсенида галлия ширина запрещенной зоны равна соответственно 0,7; 1,1 и 1,4 эВ.
Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости.
Электроны, находящиеся в этой зоне, обладают довольно большой энергией и могут ее изменять под действием электрического поля, перемещаясь в объеме полупроводника. Электропроводность полупроводника и определяется этими электронами.
Нижняя разрешенная зона называется валентной зоной. Энергетические уровни этой зоны обычно заполнены электронами
внешней оболочки атомов – внешних устойчивых орбит (валентными электронами). При наличии свободных уровней в валентной зоне электроны также могут изменять свою энергию под
действием электрического поля. Если же все уровни зоны заполнены, то валентные электроны не смогут принять участие в проявлении электропроводности полупроводника.
Рассмотрим теперь структуру собственного (беспримесного)
полупроводника. Монокристаллические полупроводники представляют собой кристаллы с регулярной структурой. Кристаллическая решетка кремния (германия) называется тетраэдрической
или решеткой типа алмаза. Она характерна для всех четырехвалентных элементов. Для определенности будем рассматривать
структуру кремния. Это справедливо хотя бы потому, что приблизительно 97 % всех изделий полупроводниковой электроники на
сегодняшний день выполняются на основе кремния.
Связь атомов в кремнии устанавливается вследствие наличия
специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных электронов. У соседних атомов кремния появляются общие орбиты, на которых в соответствии с фундаменЗона
проводимости

Запрещенная
зона

Валентная
зона

εЗ

ε

Рис. 1.1

тальным положением физики, называемым принципом запрета
Паули, находится не более двух электронов. Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, то он использует эти
электроны для связи с четырьмя другими атомами, которые,
в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырех соседних атомов. Таким
образом, получается, что любой атом кремния связан с каждым
из четырех соседних атомов общей орбитой, причем на этой общей орбите находится два электрона. Такая связь атомов называется парноэлектронной или ковалентной.
На рис. 1.2 приведена упрощенная модель решетки (а) и зонная энергетическая диаграмма (б) для беспримесного кремния.
На этом рисунке между каждыми двумя атомами кремния проведены две связывающие их прямые линии. Каждая такая линия
символизирует собой наличие электрона на общей орбите у этих
атомов. Ее принято называть связью (валентной связью). Валентный электрон, находящийся в такой связи, по энергии расположен в валентной зоне.
Электроны во всех связях будут присутствовать только при
температуре абсолютного нуля. По мере нагревания полупроводника происходит нарушение связей, т.е. некоторые валентные
электроны получают от тепла энергию, необходимую для их перехода в зону проводимости (рис. 1.2, б). Такой переход соответствует ионизации связи и выходу из нее электрона (рис. 1.2, а).
Появившиеся свободные электроны будут принимать участие
в образовании тока в полупроводнике (при приложении напряжения к полупроводнику).
Появление вакантных уровней в валентной зоне свидетельствует о том, что для валентных электронов появляется возможность изменять свою энергию
(переходить с одного разрешенного уровня валентной
зоны на другой), а следовательно, участвовать в процессе протекания тока через полупроводник. С повышением
температуры возрастает число свободных электронов
в зоне проводимости и число
вакантных уровней в валентε

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

а)
б)

Рис. 1.2

ной зоне. Заметим, что этот процесс будет проходить интенсивнее в полупроводниках с узкой запрещенной зоной.
Вакантный энергетический уровень в валентной зоне и соответственно ионизированную валентную связь принято называть
дыркой. Дырка является подвижным носителем положительного
заряда, равного по модулю заряду электрона. Перемещение дырки (положительного заряда) соответствует встречному перемещению валентного электрона (из связи в связь). Движение дырки есть поочередная ионизация валентных связей.
Отметим, что процесс образования свободного электрона
и дырки принято называть генерацией. Поскольку в рассматриваемом случае генерация происходит под действием тепла, то
ее можно назвать термогенерацией.
Появление электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне на энергетической диаграмме (см. рис. 1.2, б) представлено в виде кружочков с соответствующими знаками зарядов.
Стрелкой обозначен переход электрона из валентной зоны в зону
проводимости.
Таким образом, за счет термогенерации в собственном (беспримесном) полупроводнике, который принято обозначать буквой i, образуются два типа подвижных носителей заряда: свободные электроны п и дырки р, причем их число одинаково (ni = pi).
Эти носители заряда иногда называют собственными, а электропроводность, ими обусловленную, – собственной электропроводностью. В полупроводниковой электронике, в отличие от
собственной электропроводности, наиболее часто используют
примесную электропроводность, характерную для примесных полупроводников.

1.2. ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Примесными полупроводниками принято называть полупроводники, электропроводность которых обусловлена носителями
заряда, образующимися при ионизации атомов. Если в кремний
ввести атом пятивалентного элемента (например, фосфора), то
четыре из пяти валентных электронов этого элемента вступят
в связь с четырьмя соседними атомами кремния (подобно атомам собственного полупроводника). Пятый же электрон будет
в данном случае избыточным. Он оказывается очень слабо связанным со своим атомом, поэтому оторвать его от атома и пре

вратить в свободный носитель заряда можно даже
при воздействии малой тепловой энергии.
На энергетической диаграмме, соответствующей рассматриваемому случаю (рис. 1.3), обозначен разрешенный энергетический уровень εд, который принес с собой атом фосфора. На этом
уровне при очень низкой температуре и будет
находиться избыточный электрон фосфора. При
незначительном повышении температуры он
переходит в зону проводимости и становится свободным. Нейтральный атом фосфора при этом превращается в положительный
ион (его заряд обусловлен отсутствием валентного электрона).
Количество энергии, необходимое для отделения избыточного
электрона и образования иона, называется энергией активации
(ионизации) примеси (∆εд ≈ 0,1 эВ). Отметим, что ион прочно связан с кристаллической решеткой и не может перемещаться подобно дырке.
Таким образом, появление в кремнии атома фосфора привело к образованию в зоне проводимости свободного электрона.
Образование данного электрона не связано с существованием
дырки.
В реальных случаях вводится, конечно, далеко не единственный атом примеси (1014...1018 атомов/см3), поэтому и примесных уровней получается довольно много. Примесные уровни
образуют примесную зону, которая в рассматриваемом здесь
случае будет находиться в запрещенной зоне кремния вблизи
зоны проводимости.
Атомы пятивалентной примеси принято называть донорами.
Примесные разрешенные уровни, приносимые донорами, называют донорными. Примесные полупроводники, полученные за
счет введения доноров, называются электронными, или полупроводниками nтипа. Электропроводность электронных полупроводников определяется свободными электронами, которые здесь
являются основными носителями заряда. Дырки в полупроводнике nтипа являются неосновными носителями заряда. Дырок
здесь очень мало (nn >> рn), но они всетаки есть (дырки образуются за счет термогенерации подобно собственным носителям
в беспримесном полупроводнике).
Итак, за счет введения донорной примеси образуется электронный полупроводник, электропроводность которого опредеε

∆εД
εД

Рис. 1.3