- •Ю.П. Демаков
- •Предисловие
- •Введение в физику полупроводников
- •1.1. Виды химической связи в материалах
- •1.2. Cтруктура твердых тел. Дефекты структуры
- •1.3. Квантование в атомах
- •1.4. Зонная структура твердых тел
- •1.5. Квантовая статистика электронов в кристаллах
- •1.5.1. Уровень Ферми. Работа выхода электронов
- •1.5.2. Функции распределения электронов по энергиям
- •1.5.3. Волновые свойства электронов в кристалле
- •1.5.4. Зоны Бриллюэна
- •1.5.5. Фононы
- •1.5.6. Эффективная масса носителей заряда
- •1.5.7. Сложная структура энергетических зон кристаллов в k-пространстве
- •1.6. Основные сведения о полупроводниковых материалах
- •1.6.1. Носители заряда в полупроводниках
- •1.6.2. Собственные полупроводники
- •1.6.3. Примесные полупроводники
- •1.6.4. Вырожденные полупроводники
Ю.П. Демаков
Лекции
по физическим
основам электроники
Ю. П. ДЕМАКОВ
Лекции
по физическим
основам электроники
Ижевск: Издательство ИжГТУ 2008
УДК 621.396.002.3(075)
Д30
Рецензенты:
Кафедра "Материалы и элементы радиоэлектронной аппаратуры" Воронежского государственного технического университета (зав. кафедрой доктор техн. наук проф. Ю.С. Балашов), доктор техн. наук, проф. Г.И. Щербаков (Казанский государственный технический университет (КАИ))
Демаков Ю. П.
Д30 |
Лекции по физическим основам электроники: Учебное пособие для вузов.– Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. – 323 с.: ил. ISBN -
В книге излагаются сведения о физических эффектах и процессах, лежащих в основе действия полупроводниковых, электровакуумных и оптоэлектронных приборов.Рассматриваются вопросы статистики носителей заряда в полупроводниках, кинетика носителей заряда в полупроводниках и токи, контактные явления в полупроводниках, фотоэлектрические, термоэлектрические и гальваномагнитные явления, физические основы электровакуумных и газоразрядных приборов. Рассмотрены принципы нанотехники – актуального направления современной электронной техники. Книга служит учебным пособием для студентов, обучающихся по направлениям "Телекоммуникации" и "Радиотехника". Она может быть полезна студентам других радиотехнических и приборостроительных специальностей, а также преподавателям, ведущим занятия по соответствующим дисциплинам. |
Демаков Ю. П. , 2008
Издательство ИжГТУ, 2008
Предисловие
(роль физических основ электроники в развитии полупроводниковых приборов, микроэлектроники, электровакуумных и газоразрядных приборов, электронно-лучевых и индикаторных приборов)
Современная электроника – это наука, занимающаяся исследованием, разработкой и изготовлением различных электронных приборов. Смысловое содержание электроники отражается понятием твердотельная электроника. Согласно общим представлениям структура вещества применительно к твердому телу состоит из двух подсистем. Первая подсистема служит основой, состоящей из атомов или ионов, между расположением которых существует дальний или ближний порядок. Вторая подсистема – это электронная подсистемы, представляющая совокупность валентных электронов и электронов проводимости. Строение электронной подсистемы определяет электрические, магнитные, оптические, механические свойства твердого тела.
Физические основы электроники – это раздел твердотельной электроники, в котором изучаются физические свойства электронной подсистемы полупроводников и других материалов.
В основу физических основ электроники положены свойства носителя информационного сигнала, которым можно считать электрон. Электрон является наименьшим материальным носителем электрического заряда, обладает собственным механическим и магнитным моментом, характеризуется большим временем жизни, достаточно легко выводится из твердого тела, может группироваться в потоки. В последние годы используются не только свойства электрона как частицы, но и свойства электрона как волны. Свойства электрона как волны используются в наноэлектронике.
Вначале использование свободных электронов как носителей информационного сигнала легло в основу вакуумной электроники и созданию класса электровакуумных приборов. Исследования процессов ионизации газов с помощью электронов привело к становлению плазменной электроники и формированию класса ионных или плазменных приборов.
Становление и развитие физики твердого тела позволило сформулировать условия использования свободных электронов и квазичастиц в твердом теле для создания твердотельных электронных приборов. На основе твердотельной электроники сформировались полупроводниковая электроника и микроэлектроника (интегральная электроника).
Исследование процессов вынужденного излучения привело к формированию и становлению новой области электроники – квантовой электроники. В её основе лежат свойства связанных в атоме электронов, их коллективные взаимодействия с веществом и излучением.
К сказанному следует добавить, что процессы изготовления твердотельных электронных приборов – это совокупность высоких технологий, включающих в себя вакуумную технику, получение новых материалов, технологические процессы создания статических неоднородностей в приповерхностном слое и объеме полупроводниковых и диэлектрических подложек. Такие процессы составляют основу интегральной технологии, включающей литографию, легирование, нанесение тонких поверхностных пленок, травление и множество других технологических процессов и операций, которые не вошли в содержание книги.
При разработке курса лекций по дисциплине «Физические основы электроники» (ФОЭ) автор руководствовался требованиями образовательной программы по направлению подготовки «Телекоммуникации». В основу этой книги положен конспект семестрового курса лекций, прочитанных для студентов второго курса. Лекции представляют обзор литературы [1-8], а также сведений, почерпнутых из поисковых систем Интернета, и отражают позицию автора в подборе и в необходимости создания некоторой «избыточности» изучаемого материала. Изучение материалов, представленных в курсе лекций, позволит читателю более детально ознакомиться с современным уровнем развития физических основ полупроводниковой электроники, изучить физические процессы образования свободных носителей тока в полупроводниках, процессы, происходящие на границе двух полупроводников, на границе металл-полупроводник, на границе диэлектрик – полупроводник, изучить электрические параметры и характеристики электрических контактов и структур, лежащих в основе полупроводниковой и электровакуумной электроники. Естественно, что книга адресована, в первую очередь, студентам, изучающим данную дисциплину.
Книга состоит из девяти глав. В первой главе излагаются основные представления полупроводникового материаловедения – виды химических связей, структура кристаллов, элементы квантовой теории вещества, классификация полупроводниковых материалов. На основе этих представлений базируется изложение дальнейшего содержания книги. В последующих главах рассматриваются вопросы статистики и кинетики носителей заряда и токи в полупроводниках, контактные явления в полупроводниках, фотоэлектрические явления, термоэлектрические и гальваномагнитные явления, физические основы электровакуумных и газоразрядных приборов. С учетом современных тенденций в заключительной, девятой главе приведены основные представления о квантово-размерных структурах и рассмотрены принципы наноэлектроники и нанотехники – актуального направления современной электронной техники. В подзаголовки глав включены основные дидактические элементы, представленные в образовательной программе по дисциплине ФОЭ для направления подготовки «Телекоммуникации». Для более глубокого усвоения изучаемого учебного материала каждая глава дополнена перечнем контрольных вопросов и упражнений, которые предлагается выполнить изучающим курс.
Отзывы и предложения по улучшению книги следует направлять по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, Издательство ИжГТУ.
Г Л А В А 1