ВВЕДЕНИЕ Электроника — это область науки и техники, занимающаяся созданием и практическим использованием различных устройств и приборов, основанных на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц в вакууме, газе или твердых кристаллических телах. Электроника находит все более широкое применение почти во всех областях науки и техники, что обусловлено высокой чувствительностью, быстродействием, универсальностью и малыми габаритными размерами электронных устройств. Высокая чувствительность обеспечивается с помощью различных усилительных схем. Быстродействие электронных устройств определяется самой природой электрических колебаний. Этот параметр неуклонно повышается в связи с углублением тенденций к микроминиатюризации элементов и устройств в целом. Универсальность электроники обусловлена возможностью преобразования всех видов энергии (механической, тепловой,световой, звуковой, лучистой) в электрическую энергию, на изменении и преобразовании которой основано действие всех электронных схем. Электронные устройства всегда имели небольшие габаритные размеры, а за счет создания интегральных микросхем их размеры уменьшились в сотни и тысячи раз. Отрасль электроники, занимающуюся применением в промышленных устройствах различных электронных схем, позволяющих осуществлять контроль, регулирование и управление производственными процессами, называют промышленной электроникой. К системам промышленной электроники относят также системы преобразования тока, широко используемые в энергетических установках и на электрифицированном транспорте. Развитие промышленной электроники неразрывно связано с развитием радиоэлектроники в целом и радиотехники в частности. Исследования в области электричества и магнетизма, проведенные X. Эрстедом, М. Фарадеем, Дж. Максвеллом, Г. Герцем и П. Н. Лебедевым, позволили создать теорию электромагнитного поля и экспериментально подтвердили существование электромагнитных колебаний. А. С. Попов первым использовал эти явления на практике. День его публичного доклада на эту тему (7 мая 1895 г), по праву считается днем рождения радио. А. С. Попову удалось сделать и первые шаги по созданию аппаратуры радиосвязи. Подлинное развитие радиотехники в нашей стране началось только после Великой Октябрьской социалистической революции. Большую роль в этом направлении сыграл декрет «О централизации радиотехнического дела», подписанный В. И. Лениным 21 июня 1918 г. Созданная в том же году по указанию Владимира Ильича Ленина Нижегородская радиолаборатория объединила большинство крупнейших радиоспециалистов того времени под руководством одного из основоположников советской радиотехники — М. А. Бонч-Бруевича. Уже в начале 20-х годов в Советском Союзе была построена самая мощная в мире радиостанция, освоено производство генераторных и приемно-усилительных ламп, заложены основы теории полупроводниковых приборов, разработаны многочисленные схемы, методики их расчетов и методы радиоизмерений. Имена М. В. Шу-лейкина, А. Л. Минца, А. Ф. Шорина, В. П. Вологдина, Д. А. Рожанского, В. К. Лебединского, В. В. Татари-нова, Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, О. В. Лосева и многих других могут быть названы в числе тех, кто заложил основы отечественной радиоэлектроники. В годы первых пятилеток в нашей стране была создана радиопромышленность, радиотехнические методы начали проникать в другие области науки и техники. Серьезное внимание обращалось и на применение радиотехники в военном деле (радиосвязь и радиолокация), что позволило в годы Великой Отечественной войны сделать радио основным видом связи в войсках и снабдить армию рядом образцов радиолокационных станций. Послевоенные годы явились периодом бурного развития всей радиоэлектроники, которая стала одной из основ технического прогресса. Академик А. И. Берг не без основания говорил, что культура страны, ее обороноспособность, производительность умственного и механического труда, а в нашей стране темпы движения к коммунизму определяются в значительной мере развитием всех областей радиотехники. Следует отметить большую рсоль радиоэлектроники в обеспечении высоких скоростей; управления при высокой точности. В космонавтике, ядерной физике, вычислительной технике, кибернетике, электроэнергетике, на транспорте и во многих других отраслях широко применяют средства радиоэлектроники дшя управления и контроля самых различных процессов. Основными задачами, которые должна решать радиоэлектроника, являются разработка и совершенствование ее элементной базы, особенно в об'ласти микроэлектроники (микросхемы, микропроцессоры и др.), внедрение последних достижений электроники в народное хозяйство, совершенствование технологию производства электронных изделий и систем, повышение качества и надежности этих изделий и т. д.
ГЛАВА I ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ § 1.1. ПРОВОДНИКИ, ПОЛУПРОВОДНИКА И ДИЭЛЕКТРИКИ Все встречающиеся в природе вещества по электрическим свойствам подразделяют на трш группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Полупроводниковые материалы прш комнатной температуре имеют удельное электрическюе сопротивление q = К0~3 Ч- 1010 Ом-см. Материалы со значительно меньшим удельным сопротивлением (q = 10~6 -Ь 10~3 Om-cmi) относят к проводникам, а со значительно большим (б = НО10 -г- 1018 Ом-см) — к диэлектрикам. Разграничение проводников, полупроводников, и диэлектриков по их удельному сопротивлению являетсся условным. Механизм электропроводности гаолупроводников и диэлектриков примерно одинаков и качественно отличается от механизма электропроводности проводников. Так, ютличие полупроводника от прозводника состоит не только в большем значении его удельного сопротивления,, но и в иной зависимости этогго сопротивления от температуры. Если при нагреве удел1ьное сопротивление п|эоводников увеличивается, то у полупроводников и диэлектриков оно уменьшается. ГПри температуре, близкий к абсолютному нулю, удельнсое сопротивление проводников достигает малых значений, а их проводимость значительна или даже переходил- в сверхпроводимость. Удельное сопротивление полупроводников при температурах, близких к абсолютному н>улю, очень велико и приближается к удельному сопротивлению диэлектриков. Добавление примеси в чистый металл приводит к тому, что удельное сопротивление; образующегося сплава (манганин, константам, нихром и др.) становится больше, чем удельные сопротивления отдельных компонентов. При добавлении примеси другого элемента в полупроводник его удельное сотротивление, как будет показано в § 1.2, резко уменьшается. Сильно изменяется удельное сопротивление полупроводников
также под влиянием внешнего электрического поля, при облучении светом или воздействии ионизированными частицами. Полупроводниковые материалы имеют твердую кристаллическую структуру. При изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, представляющих собой устройства для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, наиболее широко используют кремний, германий и арсенид галлия. К полупроводникам относят также селен, теллур, некоторые окислы, карбиды и сульфиды. § 1.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Электропроводность любого вещества обусловлена перемещением валентных электронов, осуществляющих перенос электрического заряда. В металле (проводнике) всегда имеются свободные электроны (электронный газ), которые в электрическом поле направленно перемещаются (электрический ток). В полупроводнике же все валентные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой. Пока существует такая связь, эти электроны не могут участвовать в переносе электрического заряда. Для выяснения механизма электропроводности полупроводников рассмотрим некоторый объем кристаллической решетки германия, который (как и кремний) является элементом IV группы Периодической системы элементов Менделеева. На рис. 1.1, а объемная кристаллическая решетка германия, элементарной геометрической фигурой которой является тетраэдр, представлена в виде плоскостной решетки. В кристалле атомы герма-
Рис. 1 1 1ИЯ располагаются в узлах кристаллической решетки, их свявь с другими атомами осуществляется посредством четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки указывают на ковалентный характер связи, при которой каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам;, при этом возникает связывающая атомы сила. Механизм электропроводности полупроводников можно объяснить на основе зонной теории твердого тела. Энергетическая диаграмма полупроводника (рис. 1..1, б), иллюстрирующая эту теорию, показывает распределение электронов по энергетическим уровням и состоит из трех зон: валентной, запрещенной и зоны проводимости. Лишь те валентные электроны полупроводника,, которые обладают энергией зоны проводимости, освобождаются от ковалентной связи с атомами и могут . свободно перемещаться в кристалле. При отсутствии же в кристалле примесей атомов других элементов и при температуре абсолютного нуля все валентные электроны участвуют в межатомных связях, иначе говоря находятся на энергетических уровнях валентной зоны и не могут принимать участия в процессе электропроводности. Между валентной зоной с энергией электрона ее верхней границы Е„ и зоной проводимости с энергией электрона ее нижней границы Ес находится запрещенная зона шириной АЕ = Ес — Еп (у германия АЕ = 0,72 эВ, у кремния АЕ = 1,12 эВ). Чтобы электрон мог освободиться от связи с атомом и стать свободным, он должен попасть Bi зону проводимости. Для перевода электрона в зону проводимости ему необходимо сообщить дополнительную энергию, равную или превышающую энергию запрещенной зоны. Источником такой энергии может быть теплота окружающей среды. Уже при комнатной температуре заметное число электронов кристалла полупроводника разрывает ковалентные связи, т. е., получая дополнительную энергию, преодолевает запрещенную зону и переходит в зону проводимости. Одновременно в валентной зоне образуется такое же число не занятых электронам и (ставших вакантными) энергетических уровней. Вакантный энергетический уровень в валентной зоне Называют дыркой проводимости, а сам процесс образования пар электрон — дырка — тепловой генерацией пар. В электрическом и магнитном полях дырка ведет себя
как частица с положительным зарядом, равным по значению заряду электрона. Возникающие носители заряда (электроны и дырки) в течение определенного времени, называемого временем жизни, приобретают некоторую свободу теплового хаотического перемещения в пределах своих зон, а затем происходит обратный процесс захвата электронов дырками. Процесс исчезновения электрона и дырки называют ' рекомбинацией. ] Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля свободный от примесей и однородный кристалл полупроводника, имеющий два типа носителей заряда — электроны и дырки, приобретает способность проводить электрический ток. При этом плотность полного тока / = in + jp, где jn и jp — плотности электронного и дырочного токов соответственно. Общую электропроводность полупроводника, обусловленную генерацией, перемещением и рекомбинацией пар электрон — дырка, называют собственной электропроводностью, а сам полупроводниковый кристалл — собственным полупроводником. Собственная электропроводность обычно невелика. Причем как электронная, так и дырочная электропроводность обусловлена перемещением в полупроводнике только электронов. Однако в первом случае движутся электроны, находящиеся на энергетических уровнях зоны проводимости, в направлении, противоположном направлению электрического! поля. Во втором случае перемещаются электроны валент-! ной зоны, заполняя вакантные энергетические уровни (дырки), в направлении, противоположном перемещению дырок. Значительно лучшей электропроводностью обладают примесные полупроводники, причем характер электропроводности зависит от примесного вещества. Если в расплав предварительно очищенного германия внести примесь пятивалентного элемента (например, мышьяка), то при остывании расплава образуется кристалл, в некоторых узлах кристаллической решетки которого атомы мышьяка замещают атомы германия (рис. 1.2, а). При этом четыре валентных электрон атома мышьяка, объединившись с четырьмя валентным электронами соседних атомов германия, образую 10
Рис. 1.2 систему ковалентных связей, пятый же электрон атома мышьяка оказывается избыточным. Энергетический уровень примеси Ел (донорный уровень) лежит в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Поэтому уже при комнатной температуре избыточные электроны приобретают энергию, равную очень небольшой энергии их связи с атомами примеси (А?д = Ес — Ел), и переходят в зону проводимости. Эти избыточные электроны могут теперь участвовать в электропроводности полупроводника. В узлах же кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются положительно заряженные ионы (на рис. 1.2, б показаны три таких положительных иона в виде прямоугольников). Если высвободившиеся избыточные электроны совершают хаотическое движение вблизи своих ионов, то микрообъем остается электронейтральным. При уходе электронов в более удаленные объемы оставшиеся ионы создают в микрообъеме кристалла положительный объемный заряд. Поскольку А?д <с А?, то количество электронов, переходящих под действием тепловой или какой-либо другой энергии в зону проводимости с примесных уровней, значительно превышает количество электронов, переходящих в зону проводимости из валентной зоны, участвующих в процессе тепловой генерации пар. Следовательно, число электронов в полупроводнике с пятивалентной примесью превышает число дырок, концентрация которых в данном случае определяется собственной электропроводностью и поэтому не изменилась. Такой примесный полупроводник с преобладающим числом 11
