- •Предисловие
- •Условные обозначения
- •Список сокращений
- •Введение
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 1 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
- •1.1. Равновесное расположение частиц в кристалле
- •1.2. Идеальные кристаллы. Решетки Бравэ
- •1.3. Нормальные колебания решетки. Фононы
- •1.4. Структура реальных кристаллов
- •1.5. Структурозависимые свойства
- •1.6. Жидкие кристаллы
- •1.7. Аморфное состояние
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
- •2.1. Волновые свойства микрочастиц
- •2.2. Уравнение Шредингера. Волновая функция
- •2.3. Свободный электрон. Фазовая и групповая скорости
- •2.4. Электрон в потенциальной яме
- •2.5. Туннелирование микрочастиц сквозь потенциальный барьер
- •2.6. Квантовый гармонический осциллятор
- •2.7. Водородоподобный атом. Постулат Паули
- •Контрольные вопросы и задания
- •ГЛАВА 3 ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
- •3.1. Термодинамическое и статистическое описание коллектива. Функция распределения
- •3.3. Функция распределения Максвелла-Больцмана Химический потенциал
- •3.4. Функция распределения Ферми-Дирака. Энергия Ферми
- •3.5. Функция распределения Бозе-Эйнштейна
- •Контрольные вопросы и задания
- •ГЛАВА 4 ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
- •4.1. Обобществление электронов в кристалле
- •4.3. Зоны Бриллюэна
- •4.4. Эффективная масса электрона
- •4.6. Примесные уровни
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 5 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
- •5.1. Проводимость и подвижность носителей
- •5.2. Механизмы рассеяния и подвижность носителей
- •5.4. Электропроводность полупроводников
- •5.5. Электропроводность металлов и сплавов
- •5.6. Сверхпроводимость
- •5.7. Основы теории Бардина – Купера – Шриффера
- •5.8. Эффекты Джозефсона
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 6 РАВНОВЕСНЫЕ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ НОСИТЕЛИ ЗАРЯДА
- •6.1. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей. Время жизни
- •6.2. Уравнения непрерывности
- •6.3. Фотоэлектрические явления в полупроводниках
- •6.4. Полупроводники в сильном электрическом поле
- •6.6. Эффект Ганна
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 7 Контактные явления
- •7.1. Работа выхода электрона. Контакт металл – металл
- •7.2. Контакт металл – полупроводник
- •7.3. Электронно-дырочный переход
- •7.4. Выпрямляющее действие p-n–перехода. Пробой
- •7.5. Гетеропереходы
- •7.6. Эффект Зеебека
- •7.7. Эффект Пельтье
- •7.8. Фотоэффект в p-n–переходе. Фотодиоды
- •7.9. Излучательные процессы в p-n–переходе. Светодиоды
- •7.10. Инжекционные полупроводниковые лазеры
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 8 ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
- •8.1. Поверхностные энергетические состояния
- •8.2. Зонная диаграмма и заряд в приповерхностном слое
- •8.3. Поверхностная проводимость
- •8.4. Эффект поля. Полевые транзисторы
- •8.5. Влияние состояния поверхности на работу полупроводниковых приборов
- •Контрольные вопросы и задания
- •9.1. Структура и свойства тонких пленок
- •9.2. Контакт металл-диэлектрик. M-Д-M–структура
- •9.3. Туннелирование сквозь тонкую диэлектрическую пленку
- •9.4. Токи надбарьерной инжекции электронов
- •9.5. Токи, ограниченные пространственным зарядом
- •9.6. Прохождение горячих электронов сквозь тонкие металлические пленки
- •9.7. Активные устройства на основе тонкопленочных структур
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 10 ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
- •10.1. Ограничения интегральной электроники
- •10.2. Функциональная электроника
- •10.3. Системы пониженной размерности. Наноэлектроника
- •10.4. Квантовые одно- и двумерные структуры
- •10.5. Квантовые точки. Одноэлектроника
- •Контрольные вопросы и задания
- •Заключение
- •Приложения
- •П.1. Фундаментальные физические постоянные
- •П.2. Свойства полупроводников
- •П.3. Некоторые единицы системы СИ
- •П.4. Внесистемные единицы, допускаемые к применению
- •П.5. Плотность некоторых твердых тел
- •Библиографический список
- •АЛФАВИТНО-Предметный указатель
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
электроды одинаковые, то дно зоны проводимости становится плоским
(рис. 9.3, д).
В случае различных электродов граничные потенциальные барьеры отличаются на величину χМ1-χМ2 (рис. 9.3, е). Наличие этого внутреннего поля в отсутствие внешнего напряжения является следствием перераспределения заряда между электродами. Величина этого заряда зависит от контактной разности потенциалов Uк, площади электродов S и емкости структуры С
Q |
м1 |
|
м2 |
S |
0 |
/ ed , |
(9.10) |
где d – толщина диэлектрика.
В МДМ-структуре с параметрами d = 20Å, (χм1-χм2)/e = 10-2 В внутреннее поле составляет Е = (χм1-χм2)/(ed) = 5∙106 В/м.
Ранее мы не учитывали влияния поверхностных состояний на контакты и считали, что высота граничного барьера равна χм-А, но если такие состояния существуют на поверхности диэлектрика, их влияние на процессы в контактах и структурах может стать значительным. Поверхностный заряд создает дополнительное электрическое поле в приконтактной зоне диэлектрика, усиливающее или ослабляющее контактное поле (п. 8.2).
9.3. Туннелирование сквозь тонкую диэлектрическую пленку
Выше мы уже рассматривали туннельный эффект в равновесных условиях (п. 2.5). Напомним, что туннельным эффектом называется прохождение микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера. Характерно, что при туннелировании энергия микрочастицы остается неизменной.
Рассмотрим систему, состоящую из двух металлических электродов М1 и М2 и диэлектрического тонкого слоя Д между ними (рис. 9.4, а).
Пусть диэлектрик является туннельнопрозрачным, тогда потенциальный барьер между катодом и анодом можно представить в виде трапеции.
В этом случае потенциальная энергия внутри барьера будет равна
Е eU x E |
|
1 2 |
x , |
(9.11) |
|
|
|||||
б |
|
1 |
d |
|
|
|
|
|
|
|
если отсчитывать энергию от Е0.
235
|
|
Д |
jA |
|
|
|
|
jk |
|
|
|
К |
М1 |
М2 |
|
|
М1 |
Д |
М2 |
|
U |
||
jk |
|
А |
К |
А |
|||||||
|
|
|
|
|
jA |
|
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
|
χ1 |
2 |
|
χ1 |
|
|
||
χ2 |
|
|
2 |
|
|||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
ЕФ |
|
|
ЕФ1 |
|
χ2 |
||
d |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ЕС1 |
|
ЕС2 |
ЕС1 |
|
ЕФ1 |
||
|
|
|
ЕС2 |
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
х1 |
х2 |
х |
|
х1 |
х2 |
х |
|
|
|
|
|
||||
|
|
а) |
|
б) |
|
|
Рис. 9.4. Структура МДМ: а – равновесное состояние; б – приложено напряжение U; К – катод; А – анод
Однако если учесть силы электрического изображения, величина и форма потенциального барьера изменятся с учетом потенциальной энергии, соответствующей силам электрического изображения
x |
e2 |
|
1 |
. |
(9.12) |
16 0 |
|
x |
|
С учетом (9.4) потенциальный барьер оказывается более низким и тонким. Последнее обстоятельство делает его более прозрачным для туннелирования электронов сквозь барьер. Прозрачность потенциального барьера может быть определена выражением
|
2 |
x2 |
|
|
|
|
D(Е) D0 exp |
|
2m E E |
dx , |
(9.13) |
||
|
||||||
|
x1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
где Е – кинетическая энергия электрона, D0 – коэффициент, близкий к единице.
В равновесном состоянии потоки электронов, туннелирующих из ка-
тода и анода, равны (jк = ja).
Если приложить к МДМ-структуре разность потенциалов U, то уровни сместятся относительно друг друга (рис. 9.4, б)
236
E 1 E 2 eU , |
(9.14) |
и туннельные токи jк и ja уже не будут равны между собой.
Расчет разности токов для барьера 2 (рис. 9.4, б) при низких температурах показывает, что
|
1 |
2 |
3 |
2 |
|
, |
(9.15) |
|
j ~ 1 exp( U ) |
exp( U U |
) |
||||||
|
|
|
где β1, β2, β3 – постоянные определяемые параметрами МДМ-структу-
ры: χ1, χ2, d.
При малых U экспоненты в (9.15) можно разложить в ряд и ограничиться его первыми членами. В этом случае зависимость j(U) близка к
линейной |
|
J ~ Uо. |
(9.16) |
Температурная зависимость туннельного тока имеет вид |
|
J = T2. |
(9.17) |
При увеличении напряжения на МДМ-структуре зависимость j(Uо) от линейной переходит в экспоненциальную с последующим насыщением.
Туннельный эффект лежит в основе работы ряда активных приборов
(см. п. 9.7).
9.4. Токи надбарьерной инжекции электронов
Если диэлектрическая пленка в МДМ-структуре составляет 0,01- 0,5 мкм, туннельный эффект в ней становится незначительным. В таких пленках работает надбарьерная эмиссия электронов по механизму Шоттки или Френкеля-Пула (табл. 9.1).
Если толщина пленки d порядка длины свободного пробега λ (d ≤ λ), использовать известную формулу для электропроводности ζ = enμ нельзя. В этом случае электроны металла, преодолевшие барьер θδ и влетевшие в диэлектрическую пленку, будут попадать на второй электрод практически без столкновений (рис. 9.5, а). Такой механизм прохождения носителей заряда через тонкую диэлектрическую пленку называется
надбарьерной инжекцией, или механизмом Шоттки.
В случае нейтрального контакта для определения инжекционного потока можно использовать закон Ричардсона-Дешмана
j AT 2 exp( kT ) .
237
EФ θδ
а)
|
|
T2 > T1 |
|
|
j |
|
+eU |
T1 |
EФ θ0 |
U |
|
|
δ |
|
|
θ |
|
б) |
в) |
Рис. 9.5. Механизм Шоттки в МДМ-структуре: а – U=0; б – U>0; в – ВАХ МДМ-стуктуры
Очевидно, что суммарный ток в МДМ-структуре будет равен нулю. При приложении к МДМ-структуре разности потенциалов и ее энергетическая диаграмма изменятся (рис. 9.5, б). Вследствие этого плотность тока электронов анод-катод уменьшится и будет равна ja
ja AT 2 exp( eU ) . |
(9.19) |
kT |
|
Плотность встречного потока катод-анод останется неизменной. Величина результирующего тока jр имеет направление катод-анод и равна
jp AT 2e kT 1 e eU kT . |
(9.20) |
Ток такой структуры имеет симметричный характер, что справедливо в случае симметричной МДМ-структуры.
При достаточно больших смещениях (U >> kT/e) ток насыщается, поскольку остается практически лишь поток электронов из катода, не зависящий от смещения.
Этот вывод справедлив для барьера прямоугольной формы. На самом деле барьер скруглен из-за действия сил зеркального отражения (см. рис. 9.4). При малой толщине пленки d это приводит к понижению высоты барьера на величину θ
e2 ln 2 14 |
0 |
d . |
(9.21) |
При d = 10-8 м θ составит 2,6∙10-2 эВ. Тогда, подставив |
(9.20) вме- |
||
сто (9.19), получим соотношение |
|
||
j ≈ jpe. |
|
|
(9.22) |
Приложение внешнего смещения к потенциальному барьеру вызовет изменение его формы и величины θ. Этот эффект аналогичен эффекту Шоттки при термоэлектронной эмиссии в вакуум. Учет данного эффек-
238
та и сил электрического изображения позволяет получить приближенную формулу для тока, текущего через МДМ-структуру
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
||
j AT 2 |
exp |
|
0 |
exp |
||
|
|
|||||
|
|
|
kT |
|
kT |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
ln 2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
4 |
d |
|||||
|
|||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
eU |
|
|
|
|
eU |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
exp |
|
. |
(9.23) |
|
|
|
|
|||||
4 |
d |
|
|
kT |
|
||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из последнего выражения следует, что учет эффекта Шоттки приводит к исчезновению на ВАХ участков насыщения. Из (9.23) можно также сделать вывод о том, что при больших смещениях ток надбарьерной инжекции подчиняются соотношению
|
|
|
|
J ~ exp U . |
(9.24) |
Кроме того, необходимо учесть, что с ростом напряженности электрического поля его взаимодействие с потенциалом изображения приведет к изменению потенциального барьера. Результирующая величина уменьшения потенциального барьера может быть найдена из соотношения
ш |
e3E |
. |
(9.25) |
|
|||
|
4 0 |
|
Эффект Френкеля-Пула (термическая ионизация в присутствии сильного электрического поля) заключается в снижении потенциального барьера донорного атома [п. 6.4]. Этот процесс является аналогом эффекта Шоттки для барьера на границе раздела металл-диэлектрик. Так как потенциальная энергия электрона в кулоновском поле в четыре раза больше энергии, обусловленной силами изображения, то понижение барьера за счет эффекта Френкеля-Пула вдвое больше понижения, вызванного эффектом Шоттки на нейтральном барьере (9.21)
|
|
|
e3 |
|
|
|
|
|
|
|
ф |
|
|
E |
ф |
E . |
(9.26) |
||
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
Таким образом, ток через контакт в сильном электрическом поле может быть описан выражением
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
|
||||
j j |
exp |
|
ф |
|
|
, |
(9.27) |
|
kT |
|
|
||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где j0 – плотность тока в слабом поле.
239