Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

ОГЛАВЛЕНИЕ

2.1.Немного истории. Конструкции биполярного транзистора. . . 140

2.2.Параметры, определяющие коэффициент усиления транзи-

2.4.Высокочастотные свойства и быстродействие транзисторов. . 165 2.4.1. Частота отсечки и максимальная частота генерации . . 165

5Оглавление

4.1.2.Вольт-амперная характеристика МОП-транзистора. . 249

4.2.3.Энергонезависимые постоянные запоминающие

Введение

Настоящая книга написана по материалам лекций, которые автор читает на физическом факультете МГУ в течение ряда последних лет. Со времени выхода последней двухтомной монографии М. Шура по физике полупроводниковых приборов прошло уже более 10 лет. Из-за чрезвычайно быстрого темпа развития прикладных разработок в области полупроводниковых приборов — а темпы развития микроэлектроники относятся, пожалуй, к наиболее быстрым — в этой области многое изменилось. Параметры приборов существенно улучшились, сменилось несколько поколений микросхем процессоров для ЭВМ. Появились новые физические идеи, предложены новые принципы работы и реализованы новые конструкции приборов. Технологические приемы, используемые при производстве полупроводниковых приборов, подошли к границам своих возможностей. Некоторые направления, только намечавшиеся 10 лет назад, вышли на магистральный путь, а другие, казавшиеся перспективными, отошли на второй план. Значит, пришло время подумать над изданием новой книги по физике полупроводниковых приборов, которая отразила бы эти изменения.

Развитие физики полупроводниковых приборов неразрывно связано с фундаментальными исследованиями по физике полупроводников. Некоторые из сделанных в этой области открытий, нашедших широкое практическое применение, были признаны

за открытие туннельного эффекта в полупроводниках и сверхпроводниках), работах нашего соотечественника — Ж. И. Алфёрова совместно с Дж. Килби и Г. Кремером (премия 2000 г. за основополагающие работы в области информационной технологии и связи, вклад в изобретение интегральной схемы и создание полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной электроники и оптоэлектроники).

Разработка современного полупроводникового прибора является дорогостоящей задачей, требующей больших затрат труда и времени. Например, цикл изготовления современной сложной

микросхемы может занимать до трех месяцев. Поэтому в настоящее время на первый план выходит задача предварительного моделирования прибора, только после решения которой можно приступать к его созданию. Это требует умения количественно рассчитывать все необходимые параметры приборов. По этой причине к физике полупроводниковых приборов, как области науки, предъявляется требование уметь не только качественно объяснять, но и количественно предсказывать поведение рассматриваемой полупроводниковой структуры, Это определяет обилие в книге формул, обсуждений обоснованности тех или иных физических приближений — все это необходимо, чтобы обеспечить требуемый количественный результат.

Дополнительную сложность при решении задачи разработки полупроводниковых приборов создает и то, что эти приборы изготавливают из конкретных полупроводников, реальные свойства которых часто далеки от идеализированных представлений. Поэтому автор счел необходимым добавить в настоящую книгу некоторые особенности полупроводников (например, касающиеся поведения конкретных легирующих примесей), без знания которых создание совершенных приборов оказывается просто невозможным. Кроме того, в книгу включено описание основных приемов планарной технологии и обсуждаются направления их совершенствования, поскольку без понимания взаимосвязи физических принципов работы приборов и технологии их изготовления невозможно в полной мере проникнуться «духом» современной микроэлектроники.

Понимание материала, изложенного в настоящей книге, требует предварительного знакомства с курсом физики полупроводников, основами квантовой механики и радиотехники.

В книге рассмотрены основные классы современных полупроводниковых приборов и физические основы их работы. В первой и наибольшей по объему главе обсуждаются физические явления, возникающие на контакте двух полупроводников разного типа проводимости — в так называемом р-п-переходе. Здесь же рассмотрены явления, проявляющиеся в более сложных структурах с потенциальными барьерами: контактах металлполупроводник (барьерах Шоттки), гетеропереходах, одиночных квантовых ямах и сверхрешетках. Эта глава закладывает основы, необходимые для понимания материала последующих глав. Вторая глава посвящена изучению биполярных транзисторов и путей дальнейшего улучшения их характеристик. В частности, рассмотрены подходы к созданию быстродействующих транзисторов (гетеропереходные транзисторы, транзисторы на горячих

9 Введение

электронах). В этой главе также изложены основы пленарной технологии, которая в настоящее время является основой производства практически всех типов полупроводниковых приборов, а также некоторые приемы схемотехники, позволяющие за счет функциональной интеграции существенно увеличить плотность упаковки элементов в интегральных схемах и подойти к созданию сверхбольших интегральных схем (СБИС). Принципы работы и свойства четырехслойных и еще более сложных биполярных структур, из которых изготавливают крайне необходимые для современной силовой энергетики тиристоры и симисторы, рассмотрены в главе 3. Четвертая глава посвящена полевым транзисторам — наиболее распространенным на сегодня полупроводниковым приборам. Тем, что в настоящее время нас окружают высокопроизводительные компьютеры, быстродействие которых возрастает с головокружительной скоростью, мы обязаны разработке именно этого класса полупроводниковых приборов. Особое внимание в этой главе занимают современные идеи и решения, позволяющие создавать полевые транзисторы, которые способны работать на частотах, относимых к субмиллиметровой области спектра (выше 300 ГГц). В этой же главе обсуждаются актуальные для современной электроники гибридные (биполярные+полевые) структуры типа IGBT и BiCMOS, а также основные типы ИС на полевых транзисторах (n-МОП, КМ.ОП, статические, динамические и перепрограммируемые запоминающие устройства, флэш-память). В пятой главе рассмотрены принципы работы важного класса функциональноинтегрированных приборов на основе эффекта поля — приборов с зарядовой связью. Наиболее интересным направлением развития этих приборов является, по-видимому, создание приемников изображения, которые широко используются в таких бытовых приборах, как цифровые фотоаппараты и видеокамеры. В главе 6 книги рассмотрен совершенно другой класс приборов — полупроводниковые СВЧ приборы. В этой главе описаны методы получения в полупроводниках отрицательного дифференциального сопротивления и создание на основе этого явления генераторов электромагнитных колебаний в диапазонах сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых длин волн. Наконец, седьмая глава книги посвящена физическим принципам работы широкого класса оптоэлектронных приборов. Это — приемники излучения, используемые для регистрации электромагнитных колебаний начиная от дальней инфракрасной области спектра (BIB- и HIWIPдетекторы) до диапазона рентгеновского и гамма-излучения (детекторы ядерных излучений), и полупроводниковые источники

излучения (светодиоды, лазеры). Особое внимание в этой главе уделяется физическим явлениям в новых полупроводниковых объектах (квантовых ямах, нитях и точках) и использованию этих явлений для существенного улучшения параметров оптоэлектронных приборов.

Отличительной чертой настоящей книги является то, что большая часть информации о наиболее важных идеях, разработках и достижениях последних лет в области физики полупроводниковых приборов почерпнута не из журнальных статей, а из Интернета. Интернет сделал общедоступными аналитические обзоры, написанные специалистами ведущих фирм-разработчиков всего мира, он позволяет оперативно следить за последними достижениями в области фундаментальных и прикладных исследований полупроводников и выявлять основные тенденции развития в этой области знаний.

Автор считает своей приятной обязанностью выразить благодарность своим коллегам, профессору А.Э. Юновичу, доценту М.В. Чукичеву, ст. научн. сотр. И. А. Куровой и И.А. Случинской, к.х.н. С.Г. Дорофееву и В.М. Шахпаронову, которые прочли отдельные разделы рукописи и высказали ряд ценных замечаний, способствовавших улучшению содержания книги в целом.