ББК 22.379

Г20 УДК 537.311.33 (075)

Рецензенты:

доц. Московского станкоинструментального института,

канд. техн. наук Г. И. Гранитов;

преподаватель Московского техникума электронных приборов А. В. Закревская

Гаркуша Ж.М.

Г20 Основы физики полупроводников: Учебник для техни­кумов.— М.: Высш. школа, 1982. — 245 с, ил. В пер. 65 к.

В учебнике дано описание основных закономерностей строения твердо­го тела на основе современных квантово механических представлений: рас­смотрены наиболее важные электрофизические свойства, явления и эффекты, наблюдаемые в твердых телах, кинетические и контактные явления, термо­электрические и фотоэлектрические свойства полупроводников и электронные процессы, протекающие в тонких пленках.

Предназначается для учащихся техникумов по специальности «Произ­водство полупроводниковых приборов».

2403000000-211 ББК 22.379

^Г 001(01)—82 531.9

© Издательство «Высшая школа», 1982

Предисловие

утвержденной Учебно-методическим управлением по среднему специальному образованию МВ и ССО СССР от 3 июля 1973 г.

При изложении материала основное внимание уделяется физической природе явлений и процессов, протекающих в твердых телах. Математические выкладки практически отсутствуют, так как и началу изучения курса учащиеся еще не обладают достаточными математическими знаниями. Для более глубокого изучения материала учащиеся могут использовать учебники, предназначенные для студентов вузов. Соответствующий список литературы представлен в конце книги.

Кроме основного материала, предусмотренного программой, в книгу включен ряд вопросов, связанных с основными направленными полупроводниковой электроники, например явление сверхпроводимости в полупроводниках, сверхрешетки, жидкие кристаллы и др.

«Основы физики полупроводников» — это первый из специальных курсов; органическим продолжением его является курс «Полупроводниковые приборы и основы их проектирования».

Автор благодарен доц. Московского станкоинструментального института, канд. техн. наук Г. И. Гранитову и преподавателю Московского техникума электронных приборов А. В. Закревской за ценные замечания и советы, высказанные при рецензировании рукописи, а также канд. техн. наук В. В. Ковалевской за большую помощь, оказанную при подготовке рукописи. Автор выражает признательность канд. физ.-мат. наук В. В. Юдину, взявшему на себя труд по научному редактированию книги.

Отзывы и замечания просим направлять, но адресу: Москва, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».

Автор

ВВЕДЕНИЕ

Настоящий курс посвящен изучению электрических, тепловых и оптических свойств полупроводников, а также эффектов, возникающих при взаимодействии носителей заряда, движущихся в полупроводниках, с приложенными извне электрическими и магнитными полями 11 с различными видами излучения.

Современные научные изыскания немыслимы без полупроводниковой электроники, от тонких физических и биологических экспериментов до исследования космоса — таков диапазон ее использования. Достижения в области освоения космического пространства невозможно представить без применения полупроводниковых солнечных батарей, систем бортовой автоматики, сконструированных с применением малогабаритных, экономичных и надежных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Быстрое развитие полупроводниковой электроники было стимулировано фундаментальными научными достижениями в областях квантовой механики, физики твердого тела и физики полупроводников. Проникновение электроники во все области науки и техники определяется главным образом большими функциональными возможностями полупроводниковых приборов, основанных па использовании уникальных физических свойств полупроводников и электронных процессов в них, таких, как одновременное существование носителей заряда двух знаков: положительных — дырок и отрицательных — электронов; сильная зависимость величины и типа электропроводности полупроводника от концентрации и типа примесных атомов; высокая чувствительность к воздействию света и тепла, чувствительность к действию магнитного поля и механических напряжений; эффект односторонней проводимости при прохождении тока через электронно-дырочный переход (р-п- переход), нелинейность вольтамперной характеристики р-п-перехода и явление инжекции носителей заряда с его помощью; лавинное размножение носителей заряда в сильных электрических полях и др.

Полупроводники известны ученым давно, и их удивительные свойства, такие, как отрицательный температурный коэффициент сопротивления, наличие двух типов электропроводности, фотопроводимость и эффект выпрямления на контакте металл — полупроводник, исследовались еще в прошлом веке. Русским и советским ученым принадлежит видная роль в создании и развитии теории полупроводников и в реализации их практического применения.

4

В начале нашего века изобретатель радио, великий русский ученый А. С. Попов исследовал выпрямительные свойства контакта металлического острия с полупроводниковым кристаллом, что привело к созданию точечных детекторов, нашедших применение в радиотехнике. В 1906 г. П. П. Павловский разработал и сконструировал первый полупроводниковый сульфидный выпрямитель. В 1922 г. О. В. Лосев, исследуя вольтамперную характеристику точечного детектора, обнаружил на пей участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволило ему впервые использовать полупроводниковый прибор для усиления и генерации электрических сигналов. Широкие исследования полупроводников в СССР были начаты в 20-х годах под руководством академика А. Ф. Иоффе в Физико-техническом институте. Многие из основных теоретических понятий физики полупроводников впервые сформулировали Я- И. Френкель, И. Е. Тамм, Б. И. Давыдов, К. Ф. Гросс, В. А. Жузе, В. Е. Лошкарев, В. М. Тучкевич и Др. Ими же были созданы термоэлектрические преобразователи для непосредственного получения электрической энергии из тепловой, полупроводниковые холодильники, «твердые выпрямители», фото-элементы и фоторезисторы.

Начало развития полупроводникового производства в нашей стране относят к 30-м годам, однако объем выпуска приборов в этот период был невелик. Резкое увеличение выпуска полупроводниковых приборов было стимулировано применением их в технике электросвязи и радиолокации. В 1948 г. американскими учеными Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли был создан транзистор, и вскоре производство транзисторов развернулось во многих странах. Одновременно началось интенсивное изучение физики полупроводников, чему способствовали успехи в технологии получения совершенных полупроводниковых монокристаллов. Появление транзисторов обусловило широкое развитие вычислительной техники. Возросла надежность электронно-вычислительных машин, уменьшились их габариты, масса и потребляемая мощность.

Вычислительная техника, тесно связанная со всеми отраслями народного хозяйства, является материальной основой для автоматизации умственного труда. За последние тридцать лет сменились три поколения вычислительных машин. Современные ЭВМ четвертого поколения обладают высоким быстродействием и памятью с большой информационной емкостью. Их создание стало возможным благодаря достижениям в развитии физических основ микроэлектронной техники.

Появление в 60-х годах пленарной технологии произвело настоящую революцию в полупроводниковой электронике. Резко увеличился выпуск кремниевых приборов, благодаря групповой технологии их изготовления; был осуществлен выпуск МДП-транзисторов с изолированным затвором. Быстрыми темпами начала развиваться интегральная электроника и в первую очередь — интегральные полупроводниковые микросхемы.

5

В связи с открытием в 1962 г. вынужденного излучения в арсениде галлия Д. И. Наследовым, А. А. Рогачевым, С. М. Рыбкиным и Б. В. Царепковым возрос интерес к оптическим свойствам полупроводников, что привело к созданию Б. М. Вулом, А. П. Шотовым в СССР и Холлом в США полупроводниковых лазеров на р-n-пере-ходе, а позднее — Ж. И. Алферовым и другими — на гетеропереходе.

В настоящее время физика полупроводников является одним из наиболее важных разделов современной науки, имеющим широкое практическое применение.

В материалах XXVI съезда КПСС отмечалось, что страна крайне нуждается в том, чтобы усилия «большой науки» наряду с разработкой теоретических проблем, в большей мере были сосредоточены на решении ключевых народнохозяйственных вопросов, на открытиях, способных внести подлинно революционные изменения в производство.

С ростом энергетики связано увеличение добычи органических видов топлива. Однако запасы химического топлива на планете весьма ограничены, поэтому ученые всех стран заняты поисками новых источников и способов получения энергии. Одним из таких источников является Солнце. Солнечную энергию можно преобразовать в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлектрических приемников излучения. Если собрать солнечную энергию с площади в 0,1% земной поверхности, то электрической энергии будет получено в десятки раз больше, чем ее получают сейчас на всем земном шаре. Однако коэффициент полезного действия полупроводниковых фотопреобразователей пока еще мал, а стоимость такого преобразования в сотни раз выше, чем у тепло- и гидроэнергетических станций, поэтому область применения солнечных батарей ограничена. Безусловно, со временем полупроводниковые преобразователи энергии займут достойное место среди других источников энергии.

Важнейшей составной частью базы, на которой развивается современная научно-техническая революция, является микроэлектроника, обеспечивающая повышение надежности электронной аппаратуры, ее быстродействие и снижение затрат на ее изготовление. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР па 1981—1985 годы и на период до 1990 года поставлена задача повысить технический уровень вычислительной техники, приборов и средств автоматизации на основе новейших достижений микроэлектроники, оптоэлектроники и лазерной техники.

Следует отметить, что микроэлектроника уже шагнула за земные пределы. Благодаря успехам, достигнутым в создании и эксплуатации долговременных пилотируемых орбитальных станций, был осуществлен ряд технологических экспериментов с использованием комплектов приборов «Кристалл», «Диффузия» и других по получению однородных кристаллов германия, содержащих примеси кремния и сурьмы, по выращиванию кристаллов селенида и теллурида германия, по получению эпитаксиальных слоев

6

и твердых растворов германий— селен— теллур, германий —сера — селен.

Проведенные эксперименты показали, что в космических условиях можно получить кристаллы полупроводников, обладающие |большим совершенством и однородностью, а также большими размерами, чем на Земле.

Значительный вклад в отечественную и мировую науку и технику в области физики полупроводников и полупроводниковой электроники за последние два десятилетия внесли советские ученые Б. М. Вул. В. М, Тучкевич, Д. Н. Наследов, Л. В. Келдыш, Я. А. Федотов, Ж. И. Алферов, А. В. Красилов и др.

Успехи квантовой электроники, оптики, радиофизики и физической электроники, физики твердого тела и низких температур позволяют создавать новые типы лазеров, оптических и радио- электронных приборов, новые средства передачи и обработки ин- формации, новые конструкционные, магнитные, полупроводниковые сверхпроводящие материалы, а также новые технически цепные кристаллы.