Основы наук - Старосельский В.И. - Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники [2009, DjVu, RUS]

Предисловие редактора Ю. А. Парменова 11
Глава I. Основные сведения из физики полупроводников .... 13
1.1. Элементы зонной теории 13
1.2. Собственные и примесные полупроводники 18
1.3. Концентрации электронов и дырок 19
1.3.1. Равновесное состояние 19
1.3.2. Неравновесное состояние 27
1.3.3. Уровень инжекции 29
1.4. Кинетика носителей заряда 29
1.5. Рекомбинация и генерация носителей заряда 33
1.5.1. Механизмы рекомбинации—генерации 33
1.5.2. Прямая межзонная рекомбинация 34
1.5.3. Ловушечная рекомбинация 35
1.5.4. Ударная рекомбинация 36
1.5.5. Поверхностная рекомбинация 36
1.5.6. Превалирующие механизмы рекомбинации 37
1.6. Общий подход к анализу полупроводниковых приборов 38
1.7. Уравнения непрерывности 39
Литература „ 44
Глава П. р-п переходы и полупроводниковые диоды 45
II. 1. Понятие о ρ -η переходе .-. 45
И.1.1. Определение и классификация ρ -η переходов 45
И.1.2. Структура р-п перехода 48
Основные выводы 50
П.2. Равновесное состояние р-п перехода 51
П.2.1. Энергетическая диаграмма р-п перехода 51
Н.2.2. Токи через р-п переход в равновесном состоянии .... 53
И.2.3. Методика определения параметров ρ -η перехода 57
И.2.4. Расчет параметров ступенчатого р-п перехода 60
П.2.5. Переход с линейным распределением примеси 62
И.2.6. Диффузионные р-п переходы 65
Основные выводы 67
ΙΙ.3. Неравновесное состояние ρ -η перехода 69
И.3.1. Прямое и обратное включение р-п перехода 69
П.3.2. Энергетические диаграммы неравновесного р-п
перехода 69
П.3.3. Граничные условия и уровень инжекций 71
П.3.4. Ширина р-п перехода 74
Основные выводы 75
П.4. Анализ идеализированного диода 76
П.4.1. Модель идеализированного диода 76
И.4.2. Методика анализа ΒΑΧ идеализированного диода.... 80
11.4.3. Распределения неосновных носителей заряда в
квазинейтральных областях 81
П.4.4. ΒΑΧ идеализированного диода 84
П.4.5. Тепловой ток , 85
П.4.6. Температурная зависимость прямой ветви ΒΑΧ
диода 88
ΊΙ.4.7. Характеристические сопротивления диода 89
Н.4.8. Коэффициенты инжекций и эффективность
эмиттера 90
Основные выводы 91
ΙΙ.5. ΒΑΧ реального диода 92
И.5.1. Особенности ΒΑΧ реального диода 92
И.5.2. Термогенерация и рекомбинация носителей
заряда в р-п переходе 92
Н.5.3. Ток термогеиерации (обратное смещение перехода) 94
Н.5.4. Ток рекомбинации (прямое смещение перехода) 95
Н.5.5. Сопротивление базы 97
11.5.6. Характеристики диода при высоком уровне
инжекций 99
П.5.6.1. Особенности высокого уровня инжекций 99
П.5.6.2. Распределение носителей заряда в базе 100
Н.5.6.3. Электрическое поле в базе 101
И.5.6.4. ΒΑΧ р-п перехода 102
Н.5.6.5. ΒΑΧ диода 102
И.5.6.6. Эффективность эмиттера 103
II.5.6.7. Границы высокого и низкого уровней инжекции104
11.5.7. ΒΑΧ реального диода 104
Основные выводы 106
Н.6. Пробой р-п перехода 107
П.6.1. Механизмы пробоя р-п перехода 107
П.6.2. Лавинный пробой 107
П.6.3. Туннельный (зенеровский) пробой 111
11.6.4. Особенности лавинного и туннельного
механизмов пробоя 113
Н.6.5. Тепловой пробой 114
Основные выводы 116
И.7. Частотные и импульсные свойства
полупроводникового диода 117
Н.7.1. Механизмы инерционности диода 117
П.7.2. Барьерная емкость р-п перехода 117
II.7.3. Диффузионные емкости диода 121
П.7.4. Частотные свойства диода на малом переменном
сигнале 125
П.7.5. Импульсные свойства диода 128
Основные выводы 131
Литература 132
Глава III. Транзисторы со структурой металл—диэлектрик-
полупроводник 133
Ш.1. Эффект поля в структурах МДП 133
Ш.1.1. Структура МДП 133
III. 1.2. Идеальная структура МДП в условиях
термодинамического равновесия 134
III. 1.3. Эффект поля в идеальной структуре МДП 136N
III. 1.4. Вольтфарадные характеристики идеальной
структуры МДП 141
III. 1.5. Особенности эффекта поля в реальной структуре
МДП 1 143
Ш.1.6. Пороговое напряжение структуры МДП 145
Основные выводы 150
Ш.2. Устройство и принцип действия МДП-транзистора ... 152
Ш.2.1. Принцип действия МДПТ 152
III.2.2. Устройство и разновидности МДПТ 152
Ш.2.3. Качественный анализ характеристик МДПТ 155
Ш.2.4. Пороговое напряжение МДПТ и влияние
потенциала подложки 159N
Основные выводы 165
Ш.З. Анализ идеализированного транзистора 165
Ш.3.1. Допущения модели идеализированного МДПТ .... 165
Ш.3.2. Характеристики идеализированного транзистора ... 167
II 1.3.3. Инерционные свойства идеализированного
МДПТ 175
Основные выводы , 178
Ш.4. Статические ΒΑΧ МДП-транзисторов с длинным
каналом 178
Ш.4.1. Влияние неоднородности ОПЗ иод затвором 178"
Ш.4.2. Подпороговый ток 182
Ш.4.3, Подвижность носителей заряда в канале 187
ΙΙΙ.4.4. Влияние температуры 187'
Ш.4.5. Умножение носителей в канале 189
Основные выводы '. 190
111.5. Эффекты короткого канала 191λ
ΙΙΙ.5.1. Природа эффектов короткого канала 191
Ш.5.2. Пороговое напряжение 192
Ш.5.3. Эффект смыкания канала 195
Ш.5.4. Зарядка оксида : 198
Ш.5.5. Ограничение дрейфовой скорости носителей
в канале 198
Ш.5.6. Влияние ограничения дрейфовой скорости
носителей в канале на основные свойства МДПТ 200
Ш.5.7. Модуляция длины канала 204
Ш.5.8. Пологая область ΒΑΧ МДПТ и коэффициент
усиления 208
ΙΙΙ.5.9. Емкости затвор—исток и затвор—сток 212
Ш.5.10. Особенности ΒΑΧ короткоканального МДПТ 213
Ш.5.11. Подпороговый ток 215
ΙΠ.5.12. Критерий короткого канала 215
Основные выводы 216
Приложение III. 1. Определение зависимости
эффективной длины канала от напряжения сток-исток 217
Ш.6. Моделирование МДП-транзисторов 219
Ш.6.1. Классификация моделей полупроводниковых
приборов ., 219
Ш.6.2. Особенности моделирования МДПТ 222
Ш.6.3. Нелинейная эквивалентная схема МДПТ· для
большого сигнала 224
Ш.6.4. Линейные эквивалентные схемы МДПТ для
малого сигнала 231
Ш.6.5. Формальные линейные модели ....: 235
Основные выводы , 238
Ш.7. Масштабирование МДП-транзисторов 238
ΙΙΙ.8. Структуры короткоканальных МДП-транзисторов 244
111.8.1. Требования к МДПТ в СБИС 244
Ш.8.2. Типовая структура короткоканального МДПТ 245
Ш.8.3. Структурные модификации короткоканальных
МДПТ 249
Литература ,...252
Глава IV. Биполярные транзисторы 254
IV. 1. Устройство и принцип действия биполярного
транзистора 254
IV.1.1. Устройство биполярного транзистора 254
IV. 1.2. Принцип действия и режимы работы транзистора 256
IV.1.3. Разновидности биполярных транзисторов 259
IV. 1.4. Основные физические процессы в транзисторе
(нормальный режим) 263
IV 1.5. Эффективность эмиттера и коэффициент
переноса 266
Основные выводы 267
IV.2. Модель идеализированного транзистора
Эберса—Молла 267
IV.2.1. Модель Эберса—Молла 267
IV.2.2. Статические характеристики идеализированного
транзистора в схеме ОБ 274
IV.2.3. Статические характеристики идеализированного
транзистора в схеме ОЭ 276
IV.2.4. Тепловые токи коллектора и эмиттера 279
Основные выводы 281
IV.3. Параметры идеализированного транзистора 282
IV.3.1. Коэффициент переноса 283
IV.3.2. Тепловые токи эмиттерного диода
и эффективность эмиттера 286
IV.3.3. Влияние коэффициента переноса и
эффективности эмиттера на усилительные свойства
транзистора 287
IV.3.4. Инверсные параметры 288
Основные выводы 291
IV.4. Частотные и импульсные свойства коэффициентов
передачи тока 292
IV.4.1. Механизм внутренней инерционности
биполярного транзистора и форма представления
частотных и импульсных характеристик 292
IV.4.2. Частотная характеристика коэффициента
переноса 294
IV.4.3. Частотная характеристика эффективности
эмиттера 295
IV.4.4. Частотные и импульсные свойства коэффициента
передачи эмиттерного тока 297
IV.4.5. Частотные и импульсные-свойства коэффициента
усиления тока базы 299
IV.4.6. Сравнительный анализ частотных и импульсных
характеристик коэффициентов α и β 301
IV.4.7. Диффузионные емкости в транзисторе 303
IV.4.8. Накопление заряда в коллекторе 305
Основные выводы 307
IV.5. Действие факторов, не учтенных
в идеализированной модели транзистора 308
IV.5.1. Факторы, не учтенные в идеализированной
модели 308
IV.5.2. Эффект Эрли 309
IV.5.3. Сопротивления базы и коллектора ...316
IV5.4. Эффект оттеснения эмиттерного тока 317
IV.5.5. Влияние режима работы транзистора
на коэффициенты передачи тока 319
IV.5.6. Ограничение скорости носителей заряда в базе и
в коллекторном переходе 321
IV.5.7. Специфика пробоя в биполярных транзисторах 326
IV.5.8. Диодное включение транзисторов 328
Основные выводы 330
IV.6. Особенности дрейфовых планарных транзисторов 331
IV.6.1. Примесный профиль планарного дрейфового
транзистора и встроенные электрические поля 332
IV.6.2. Распределение избыточных носителей заряда в
базе ~ 336
IV.6.3. Время пролета неосновных носителей через базу
и тепловые токи s 339
1V.6.4. Коэффициент передачи эмиттерного тока 342
IV.6.5. Тиристорный эффект 344
Основные выводы 348
IV.7. Моделирование биполярных транзисторов 349
IV.7.1. Особенности моделирования биполярных
транзисторов 349
IV.7.2. Эквивалентные схемы для большого сигнала на
основе модели Эберса—Молла 350
IV.7.3. Метод Гуммеля—Пуна 351
IV.7.4. Модель Гуммеля—Пупа 357
IV.7.5. Эквивалентные схемы для малого сигнала 359
IV.7.6. Формальные линейные модели 364
Основные выводы 366
IV.8. Структуры интегральных биполярных транзисторов ... 367
Литература 375
Глава V. Сравнительный анализ принципов действия
и свойств биполярных и полевых транзисторов 377
V.I. Сходства и различия в устройстве и принципе
действия МДП- и биполярных транзисторов 377
V.2. Основные электрические свойства МДП-
и биполярных транзисторов в рамках классических
моделей 379
V.3. Эффекты, ограничивающие характеристики
реальных МДП- и биполярных транзисторов 381
V.4. Важнейшие характеристики МДП- и биполярных
транзисторов 381
V.5. Анализ важнейших характеристик МДП-
и биполярных транзисторов 384
V.6. Области применения МДП- и биполярных
транзисторов 391
Глава VI. Контакты металл—полупроводник 393
VI.1. Контакты металл—полупроводник 393
VI. 1.1. Типы и основные характеристики контактов
металл—полупроводник 393
VI.1.2. Параметры барьерных контактов 394
VI.1.3. Эффект Шоттки 397
VI.2. Теория выпрямления на контакте
металл—полупроводник 399
VI.2.1. Общий подход 399
VI.2.2. Теория термоэлектронной эмиссии (диодная
теория выпрямления) 400
VI.2.3. Диффузионная теория выпрямления 402
VI.2.4. Сравнение результатов ТТЭ и диффузионной
теории выпрямления 405
VI.3. Омические контакты 405
VI.4. Диоды Шоттки 407
Основные выводы 410
Литература 411
Глава VII. Полевые транзисторы с управляющим барьерным
переходом 412
VII.1. Полевые транзисторы с управляющим р-п
переходом 412
VII. 1.1. Устройство и принцип действия 412
VII.1.2. ΒΑΧ идеализированного транзистора 414
VII.1.3. Эквивалентная схема и особенности ΒΑΧ 417
VII. 1.4. Сравнение полевого транзистора с
управляющим р-п переходом и МДПТ 418
Основные выводы 420
VII.2. Полевые транзисторы с затвором Шоттки на
основе GaAs 420
VII.2.1. Особенности GaAs как материала
микроэлектроники 421
VII.2.2. Устройство и особенности ПТШ на GaAs 423
VII.2.3. Особенности характеристик и применения ПТШ 425
Основные выводы 427
Литература 428
Глава VIII. Гетеропереходные транзисторы 429
VIII.1. Гетеропереходы 429
VHI.1.1. Особенности гетеропереходов 430
VIII.1.2. Гетеропереходы на основе GaAs 432
VIII. 1.3. Инверсионный слой в гетеропереходе
и двухмерный электронный газ 434
Основные выводы 436
VIII.2. Гетеропереходные полевые транзисторы на основе
GaAs 437
VIII.2.1. Устройство и принцип действия ГПТ на основе
GaAs 437
VIII.2.2. Пороговое напряжение 439
VIII.2.3. ΒΑΧ ГПТ 441
VIIL2.4. Разновидности ГПТ на основе соединений А3В5 442
VIH.2.5. ГПТ на основе структур Si/SiGe 444
Основные выводы 446
VIII.3. Гетеропереходные биполярные транзисторы 446
VIH.3.1. Возможности улучшения характеристик
биполярных транзисторов за счет использования
гетеропереходов 446
VHI.3.2. ГБТ на основе GaAs 449
VIII.3.3. ГБТ на основе гетероструктур Si-Ge/Si 454
Основные выводы 455
Литература 455
ПРИЛОЖЕНИЯ 458
Приложение 1. Физические константы 458
Приложение 2. Список общих обозначений 458
Приложение 3. Свойства некоторых полупроводниковых
материалов (Г=300 К) 460
Приложение 4. Энергии ионизации примесей в Si, Ge и GaAs 462
Приложение 5. Греческий алфавит 462
Литература к приложениям 3, 4 463