Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 210100 "Электроника и микроэлектроника"

Рассмотрены базовые полупроводниковые приборы современной микроэлектроники и физические процессы, обеспечивающие их работу. Анализируются статические, частотные и импульсные характеристики приборов, рассматриваются методы схемотехнического моделирования приборов и приводятся их эквивалентные схемы. Рассмотрены предельные параметры современных приборов микроэлектроники. Для каждого прибора делается краткий обзор современных методов их структурной реализации в интегральных схемах. Для студентов обучающихся по направлению 210100 ''Электроника и микроэлектроника'' и по инженерным специальностям 210104.65 ''Микроэлектроника и твердотельная электроника'', 210108.65 ''Микросистемная техника'', 010803.65 ''Микроэлектроника и полупроводниковые приборы'', 210601.65 ''Нанотехнологии в электронике''. Материал книги может быть полезен также научным работникам, инженерам и аспирантам, стремящимся получить необходимые профессиональные знания. Старосельский В.И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники - 2009 ......Page 1 Оглавление ......Page 3 Предисловие редактора Ю. А. Парменова ......Page 11 I.1. Элементы зонной теории ......Page 13 I.2. Собственные и примесные полупроводники ......Page 18 I.3.1. Равновесное состояние ......Page 19 I.3.2. Неравновесное состояние ......Page 27 I.4. Кинетика носителей заряда ......Page 29 I.5.1. Механизмы рекомбинации—генерации ......Page 33 I.5.2. Прямая межзонная рекомбинация ......Page 34 I.5.3. Ловушечная рекомбинация ......Page 35 I.5.5. Поверхностная рекомбинация ......Page 36 I.5.6. Превалирующие механизмы рекомбинации ......Page 37 I.6. Общий подход к анализу полупроводниковых приборов ......Page 38 I.7. Уравнения непрерывности ......Page 39 Литература ......Page 44 II.1.1. Определение и классификация p-n переходов ......Page 45 II.1.2. Структура р-n перехода ......Page 48 Основные выводы ......Page 50 II.2.1. Энергетическая диаграмма р-n перехода ......Page 51 II.2.2. Токи через р-n переход в равновесном состоянии ......Page 53 II.2.3. Методика определения параметров p-n перехода ......Page 57 II.2.4. Расчет параметров ступенчатого р-n перехода ......Page 60 II.2.5. Переход с линейным распределением примеси ......Page 62 II.2.6. Диффузионные р-n переходы ......Page 65 Основные выводы ......Page 67 II.3.2. Энергетические диаграммы неравновесного р-n перехода ......Page 69 II.3.3. Граничные условия и уровень инжекций ......Page 71 II.3.4. Ширина р-n перехода ......Page 74 Основные выводы ......Page 75 II.4.1. Модель идеализированного диода ......Page 76 II.4.2. Методика анализа ВАХ идеализированного диода ......Page 80 II.4.3. Распределения неосновных носителей заряда в квазинейтральных областях ......Page 81 II.4.4. ВАХ идеализированного диода ......Page 84 II.4.5. Тепловой ток ......Page 85 II.4.6. Температурная зависимость прямой ветви ВАХ диода ......Page 88 II.4.7. Характеристические сопротивления диода ......Page 89 II.4.8. Коэффициенты инжекций и эффективность эмиттера ......Page 90 Основные выводы ......Page 91 II.5.2. Термогенерация и рекомбинация носителей заряда в р-n переходе ......Page 92 II.5.3. Ток термогеиерации (обратное смещение перехода) ......Page 94 II.5.4. Ток рекомбинации (прямое смещение перехода) ......Page 95 II.5.5. Сопротивление базы ......Page 97 II.5.6.1. Особенности высокого уровня инжекций ......Page 99 II.5.6.2. Распределение носителей заряда в базе ......Page 100 II.5.6.3. Электрическое поле в базе ......Page 101 II.5.6.5. ВАХ диода ......Page 102 II.5.6.6. Эффективность эмиттера ......Page 103 II.5.7. ВАХ реального диода ......Page 104 Основные выводы ......Page 106 II.6.2. Лавинный пробой ......Page 107 II.6.3. Туннельный (зенеровский) пробой ......Page 111 II.6.4. Особенности лавинного и туннельного механизмов пробоя ......Page 113 II.6.5. Тепловой пробой ......Page 114 Основные выводы ......Page 116 II.7.2. Барьерная емкость р-п перехода ......Page 117 II.7.3. Диффузионные емкости диода ......Page 121 II.7.4. Частотные свойства диода на малом переменном сигнале ......Page 125 II.7.5. Импульсные свойства диода ......Page 128 Основные выводы ......Page 131 Литература ......Page 132 III.1.1. Структура МДП ......Page 133 III.1.2. Идеальная структура МДП в условиях термодинамического равновесия ......Page 134 III.1.3. Эффект поля в идеальной структуре МДП ......Page 136 III.1.4. Вольтфарадные характеристики идеальной структуры МДП ......Page 141 III.1.5. Особенности эффекта поля в реальной структуре МДП ......Page 143 III.1.6. Пороговое напряжение структуры МДП ......Page 145 Основные выводы ......Page 150 III.2.2. Устройство и разновидности МДПТ ......Page 152 III.2.3. Качественный анализ характеристик МДПТ ......Page 155 III.2.4. Пороговое напряжение МДПТ и влияние потенциала подложки ......Page 159 III.3.1. Допущения модели идеализированного МДПТ ......Page 165 III.3.2. Характеристики идеализированного транзистора ......Page 167 III.3.3. Инерционные свойства идеализированного МДПТ ......Page 175 III.4.1. Влияние неоднородности ОПЗ под затвором ......Page 178 III.4.2. Подпороговый ток ......Page 182 III.4.4. Влияние температуры ......Page 187 III.4.5. Умножение носителей в канале ......Page 189 Основные выводы ......Page 190 III.5.1. Природа эффектов короткого канала ......Page 191 III.5.2. Пороговое напряжение ......Page 192 III.5.3. Эффект смыкания канала ......Page 195 III.5.5. Ограничение дрейфовой скорости носителей в канале ......Page 198 III.5.6. Влияние ограничения дрейфовой скорости носителей в канале на основные свойства МДПТ ......Page 200 III.5.7. Модуляция длины канала ......Page 204 III.5.8. Пологая область ВАХ МДПТ и коэффициент усиления ......Page 208 III.5.9. Емкости затвор—исток и затвор—сток ......Page 212 III.5.10. Особенности ВАХ короткоканального МДПТ ......Page 213 III.5.12. Критерий короткого канала ......Page 215 Основные выводы ......Page 216 Приложение III.1. Определение зависимости эффективной длины канала от напряжения сток-исток ......Page 217 III.6.1. Классификация моделей полупроводниковых приборов ......Page 219 III.6.2. Особенности моделирования МДПТ ......Page 222 III.6.3. Нелинейная эквивалентная схема МДПТ для большого сигнала ......Page 224 III.6.4. Линейные эквивалентные схемы МДПТ для малого сигнала ......Page 231 III.6.5. Формальные линейные модели ......Page 235 III.7. Масштабирование МДП-транзисторов ......Page 238 III.8.1. Требования к МДПТ в СБИС ......Page 244 III.8.2. Типовая структура короткоканального МДПТ ......Page 245 III.8.3. Структурные модификации короткоканальных МДПТ ......Page 249 Литература ......Page 252 IV.1.1. Устройство биполярного транзистора ......Page 254 IV.1.2. Принцип действия и режимы работы транзистора ......Page 256 IV.1.3. Разновидности биполярных транзисторов ......Page 259 IV.1.4. Основные физические процессы в транзисторе (нормальный режим) ......Page 263 IV 1.5. Эффективность эмиттера и коэффициент переноса ......Page 266 IV.2.1. Модель Эберса—Молла ......Page 267 IV.2.2. Статические характеристики идеализированного транзистора в схеме ОБ ......Page 274 IV.2.3. Статические характеристики идеализированного транзистора в схеме ОЭ ......Page 276 IV.2.4. Тепловые токи коллектора и эмиттера ......Page 279 Основные выводы ......Page 281 IV.3. Параметры идеализированного транзистора ......Page 282 IV.3.1. Коэффициент переноса ......Page 283 IV.3.2. Тепловые токи эмиттерного диода и эффективность эмиттера ......Page 286 IV.3.3. Влияние коэффициента переноса и эффективности эмиттера на усилительные свойства транзистора ......Page 287 IV.3.4. Инверсные параметры ......Page 288 Основные выводы ......Page 291 IV.4.1. Механизм внутренней инерционности биполярного транзистора и форма представления частотных и импульсных характеристик ......Page 292 IV.4.2. Частотная характеристика коэффициента переноса ......Page 294 IV.4.3. Частотная характеристика эффективности эмиттера ......Page 295 IV.4.4. Частотные и импульсные свойства коэффициента передачи эмиттерного тока ......Page 297 IV.4.5. Частотные и импульсные-свойства коэффициента усиления тока базы ......Page 299 IV.4.6. Сравнительный анализ частотных и импульсных характеристик коэффициентов α и β ......Page 301 IV.4.7. Диффузионные емкости в транзисторе ......Page 303 IV.4.8. Накопление заряда в коллекторе ......Page 305 Основные выводы ......Page 307 IV.5.1. Факторы, не учтенные в идеализированной модели ......Page 308 IV.5.2. Эффект Эрли ......Page 309 IV.5.3. Сопротивления базы и коллектора ......Page 316 IV.5.4. Эффект оттеснения эмиттерного тока ......Page 317 IV.5.5. Влияние режима работы транзистора на коэффициенты передачи тока ......Page 319 IV.5.6. Ограничение скорости носителей заряда в базе и в коллекторном переходе ......Page 321 IV.5.7. Специфика пробоя в биполярных транзисторах ......Page 326 IV.5.8. Диодное включение транзисторов ......Page 328 Основные выводы ......Page 330 IV.6. Особенности дрейфовых планарных транзисторов ......Page 331 IV.6.1. Примесный профиль планарного дрейфового транзистора и встроенные электрические поля ......Page 332 IV.6.2. Распределение избыточных носителей заряда в базе ......Page 336 IV.6.3. Время пролета неосновных носителей через базу и тепловые токи ......Page 339 1V.6.4. Коэффициент передачи эмиттерного тока ......Page 342 IV.6.5. Тиристорный эффект ......Page 344 Основные выводы ......Page 348 IV.7.1. Особенности моделирования биполярных транзисторов ......Page 349 IV.7.2. Эквивалентные схемы для большого сигнала на основе модели Эберса—Молла ......Page 350 IV.7.3. Метод Гуммеля—Пуна ......Page 351 IV.7.4. Модель Гуммеля—Пупа ......Page 357 IV.7.5. Эквивалентные схемы для малого сигнала ......Page 359 IV.7.6. Формальные линейные модели ......Page 364 Основные выводы ......Page 366 IV.8. Структуры интегральных биполярных транзисторов ......Page 367 Литература ......Page 375 V.I. Сходства и различия в устройстве и принципе действия МДП- и биполярных транзисторов ......Page 377 V.2. Основные электрические свойства МДП- и биполярных транзисторов в рамках классических моделей ......Page 379 V.4. Важнейшие характеристики МДП- и биполярных транзисторов ......Page 381 V.5. Анализ важнейших характеристик МДП- и биполярных транзисторов ......Page 384 V.6. Области применения МДП- и биполярных транзисторов ......Page 391 VI.1.1. Типы и основные характеристики контактов металл—полупроводник ......Page 393 VI.1.2. Параметры барьерных контактов ......Page 394 VI.1.3. Эффект Шоттки ......Page 397 VI.2.1. Общий подход ......Page 399 VI.2.2. Теория термоэлектронной эмиссии (диодная теория выпрямления) ......Page 400 VI.2.3. Диффузионная теория выпрямления ......Page 402 VI.3. Омические контакты ......Page 405 VI.4. Диоды Шоттки ......Page 407 Основные выводы ......Page 410 Литература ......Page 411 VII.1.1. Устройство и принцип действия ......Page 412 VII.1.2. ВАХ идеализированного транзистора ......Page 414 VII.1.3. Эквивалентная схема и особенности ВАХ ......Page 417 VII.1.4. Сравнение полевого транзистора с управляющим р-п переходом и МДПТ ......Page 418 VII.2. Полевые транзисторы с затвором Шоттки на основе GaAs ......Page 420 VII.2.1. Особенности GaAs как материала микроэлектроники ......Page 421 VII.2.2. Устройство и особенности ПТШ на GaAs ......Page 423 VII.2.3. Особенности характеристик и применения ПТШ ......Page 425 Основные выводы ......Page 427 Литература ......Page 428 VIII.1. Гетеропереходы ......Page 429 VIII.1.1. Особенности гетеропереходов ......Page 430 VIII.1.2. Гетеропереходы на основе GaAs ......Page 432 VIII.1.3. Инверсионный слой в гетеропереходе и двухмерный электронный газ ......Page 434 Основные выводы ......Page 436 VIII.2.1. Устройство и принцип действия ГПТ на основе GaAs ......Page 437 VIII.2.2. Пороговое напряжение ......Page 439 VIII.2.3. ВАХ ГПТ ......Page 441 VIII.2.4. Разновидности ГПТ на основе соединений А3В5 ......Page 442 VIII.2.5. ГПТ на основе структур Si/SiGe ......Page 444 VIII.3.1. Возможности улучшения характеристик биполярных транзисторов за счет использования гетеропереходов ......Page 446 VIII.3.2. ГБТ на основе GaAs ......Page 449 VIII.3.3. ГБТ на основе гетероструктур Si-Ge/Si ......Page 454 Литература ......Page 455 Приложение 2. Список общих обозначений ......Page 458 Приложение 3. Свойства некоторых полупроводниковых материалов (T=300 К) ......Page 460 Приложение 5. Греческий алфавит ......Page 462 Литература к приложениям 3, 4 ......Page 463 Обложка ......Page 465