Pagrindinė informacija apie puslaidininkius.

Pagal konkrečią vertę elektrinė varža puslaidininkiai užima tarpinę padėtį tarp gerų laidininkų (σ = 10 6 -10 4 Ohm -1 cm -1) ir dielektrikų (σ = -12 - 10 -10 Ohm -1 cm -1). Puslaidininkių yra daug cheminiai elementai(germanis, silicis, selenas, indis, telūras, arsenas ir kt.), didžiulė suma lydiniai ir cheminiai junginiai. Beveik viskas neorganinių medžiagų mus supantis pasaulis – puslaidininkiai. Gamtoje labiausiai paplitęs puslaidininkis yra silicis, kuris sudaro apie 30% žemės plutos.

Be temperatūros, puslaidininkių elektriniam laidumui įtakos turi stiprus elektrinis laukas, slėgis, optinių ir jonizuojanti spinduliuotė, priemaišų buvimas ir kiti veiksniai, galintys pakeisti medžiagos struktūrą ir elektronų būseną. Ši aplinkybė vaidina lemiamas vaidmuo daugybe ir įvairių naudojimo būdų puslaidininkiai.

Kokybinis puslaidininkių ir metalų skirtumas pirmiausia pasireiškia varžos priklausomybe nuo temperatūros. Mažėjant temperatūrai, mažėja metalų atsparumas. Puslaidininkiuose, priešingai, mažėjant temperatūrai, atsparumas didėja ir arti absoliutus nulis jie praktiškai tampa izoliatoriais.

Gryno puslaidininkio varžos priklausomybė nuo temperatūros.

Toks ρ(T) priklausomybės elgesys rodo, kad puslaidininkiuose laisvųjų krūvininkų koncentracija nelieka pastovi, o didėja didėjant temperatūrai. Mechanizmas elektros srovė puslaidininkiuose negalima paaiškinti dujų modeliu laisvųjų elektronų. Kokybiškai panagrinėkime šį mechanizmą germanio (Ge) pavyzdžiu. Silicio (Si) kristalo mechanizmas yra panašus.

Germanio atomų išoriniame apvalkale yra keturi silpnai surišti elektronai. Tai vadinami kovalentiniais elektronais. Kristalinėje gardelėje kiekvienas atomas yra apsuptas keturių artimiausi kaimynai. Ryšys tarp atomų germanio kristale yra kovalentinis, t.y. vyksta poromis valentiniai elektronai. Kiekvienas valentinis elektronas priklauso dviem atomams.

Elektronų poros ryšiai germanio kristale ir elektronų skylės poros susidarymas

Valentiniai elektronai germanio kristale yra daug stipriau surišti su atomais nei metaluose; Todėl laidumo elektronų koncentracija kambario temperatūroje puslaidininkiuose yra daug dydžių mažesnė nei metaluose. Germanio kristalo temperatūrai artima absoliutus nulis, visi elektronai yra užimti formuojant ryšius. Toks kristalas nepraleidžia elektros srovės.

Kylant temperatūrai, kai kurie valentiniai elektronai gali įgyti pakankamai energijos, kad nutrūktų kovalentiniai ryšiai. Tada kristale atsiras laisvieji elektronai (laidumo elektronai). Tuo pačiu metu susidaro laisvos vietos, kur nutrūksta ryšiai, kurių neužima elektronai. Šios laisvos vietos vadinamos skylėmis. Laisvą vietą gali užimti valentinis elektronas iš kaimyninės poros, tada skylė persikels į naują kristalo vietą. Tam tikroje puslaidininkio temperatūroje per laiko vienetą susidaro tam tikras skaičius elektronų skylių porų. Tuo pačiu metu laikas eina atvirkštinis procesas – kai laisvas elektronas susitinka su skyle, elektroninis ryšys tarp germanio atomų atsistato. Šis procesas vadinamas rekombinacija. Elektronų skylių poros taip pat gali būti sukurtos apšviečiant puslaidininkį dėl energijos elektromagnetinė spinduliuotė. Nesant elektrinis laukas laidumo elektronai ir skylės dalyvauja chaotiškame šiluminiame judėjime.

Laidumo elektronų koncentracija puslaidininkyje lygi skylių koncentracijai: n n = n p. Elektronų skylių laidumo mechanizmas pasireiškia tik grynuose (t.y. be priemaišų) puslaidininkiuose. Tai vadinama Su privatus elektros laidumas puslaidininkiai .

Jei yra priemaišų elektros laidumas puslaidininkiai labai pasikeičia. Pavyzdžiui, į silicio kristalą įdėjus 0,001 atominio procento fosforo priemaišų, sumažėja varža daugiau nei penkiomis eilėmis. Tai stiprią įtaką priemaišas galima paaiškinti remiantis aukščiau pateiktomis idėjomis apie puslaidininkių struktūrą. Būtina sąlyga Staigus puslaidininkio varžos sumažėjimas įvedant priemaišas yra priemaišų atomų valentingumo skirtumas nuo pagrindinių kristalo atomų valentingumo.

Puslaidininkių laidumas esant priemaišoms vadinamas priemaišų laidumas . Yra du tipai priemaišų laidumas – elektroninė ir skylė.

Elektroninis laidumasįvyksta, kai penkiavalenčiai atomai (pavyzdžiui, arseno atomai, As) įvedami į germanio kristalą su keturvalenčiais atomais. Puslaidininkis n - tipo. Arseno atomas germanio kristalų gardelėje.

Paveiksle pavaizduotas toje vietoje rastas penkiavalentis arseno atomas kristalinė gardelė Vokietija. Keturi arseno atomo valentiniai elektronai yra įtraukti į kovalentinių ryšių su keturiais gretimais germanio atomais formavimąsi. Penktasis valentinis elektronas pasirodė perteklinis; jis lengvai atitrūksta nuo arseno atomo ir tampa laisvas. Atomas, praradęs elektroną, tampa teigiamu jonu, esančiu tam tikroje kristalinės gardelės vietoje. Atomų priemaiša, kurios valentingumas viršija puslaidininkinio kristalo pagrindinių atomų valentingumą, vadinama donoro priemaiša . Dėl jo įvedimo kristale atsiranda daug laisvųjų elektronų. Dėl to smarkiai sumažėja puslaidininkio savitoji varža – tūkstančius ir net milijonus kartų. Laidininko, kuriame yra daug priemaišų, varža gali priartėti prie metalinio laidininko varža.

Germanio kristale su arseno priemaiša yra elektronų ir skylių, atsakingų už paties kristalo laidumą. Tačiau pagrindinis laisvųjų krūvininkų tipas yra elektronai, atskirti nuo arseno atomų. Tokiame kristale n n >> n p . Toks laidumas vadinamas elektroniniu, o puslaidininkis su elektroninis laidumas, paskambino n tipo puslaidininkis.

Skylinis laidumas atsiranda, kai į germanio kristalą patenka trivalenčių atomų (pavyzdžiui, indžio atomų, In). Paveikslėlyje parodytas indžio atomas, kuris, naudodamas savo valentinius elektronus, sukūrė kovalentinius ryšius tik su trimis gretimais germanio atomais.

P tipo puslaidininkis. Indijos atomas germanio kristalinėje gardelėje

Indžio atomas neturi elektrono, kuris sudarytų ryšį su ketvirtuoju germanio atomu. Šį trūkstamą elektroną indžio atomas gali užfiksuoti iš gretimų germanio atomų kovalentinio ryšio. Šiuo atveju indžio atomas virsta neigiamas jonas, esantis kristalinės gardelės vietoje, o gretimų atomų kovalentiniame ryšyje susidaro tuščia vieta. Vadinamas atomų, galinčių sugauti elektronus, mišinys akceptoriaus priemaiša. Dėl akceptoriaus priemaišos įvedimo kristale nutrūksta daug kovalentinių ryšių ir susidaro laisvos erdvės (skylės). Elektronai iš gretimų kovalentinių ryšių gali peršokti į šias vietas, o tai sukelia chaotišką skylių klajojimą visame kristale.

Akceptoriaus priemaišos buvimas smarkiai sumažina puslaidininkio varžą dėl išvaizdos didelis skaičius laisvos skylės. Skylių koncentracija puslaidininkyje su akceptoriaus priemaiša žymiai viršija elektronų koncentraciją, kuri atsirado dėl paties puslaidininkio elektrinio laidumo mechanizmo: n p >> n n . Šis laidumo tipas vadinamas skylės laidumas. Priemaišinis puslaidininkis su skylutiniu laidumu vadinamas p tipo puslaidininkis. Pagrindiniai laisvieji krūvininkai p tipo puslaidininkiuose yra skylės.

Reikėtų pabrėžti, kad skylės laidumas iš tikrųjų yra dėl elektronų judėjimo per laisvas vietas iš vieno germanio atomo į kitą, kuris atlieka kovalentinį ryšį.

n ir p tipo puslaidininkiams Omo dėsnis tenkinamas tam tikruose srovės ir įtampos diapazonuose, jei laisvųjų nešėjų koncentracijos yra pastovios.

Kietosios medžiagos paprastai skirstomos į laidininkus, puslaidininkius ir dielektrikus. Šis atskyrimas yra susijęs su laisvųjų krūvininkų kiekiu (koncentracija) medžiagoje. Laisvasis krūvininkas – tai krūvininkas, galintis laisvai judėti medžiagos kristalinėje gardelėje. Kuo daugiau šių laisvųjų nešiklių, tuo didesnis medžiagos laidumas.

Dirigentuose s.n. labai daug ir jo laidumas yra didelis (atsparumas mažas)

Dielektrikuose - praktiškai nėra, varža LABAI didelė.

PP užima tarpinę padėtį tiek pagal s.n skaičių, tiek pagal laidumą.

Puslaidininkių energijos (juostos) diagramos.

Kiekvienas elektronų apvalkalas viename atome atitinka tam tikrą energijos lygį. Jei energija brėžiama vertikaliai, tada energijos lygiai elektroniniai apvalkalai Si atomas gali būti pavaizduotas kaip trys horizontalios linijos (1 pav., a). Šiuo atveju viršutinė linija atitinka elektrono energiją. Kai atomai sąveikauja kristalinėje gardelėje, elektronų energijos lygiai pasislenka („atsijungia“) ir susidaro energetines zonas (1 pav., b). Vidiniai atomų apvalkalo elektronai silpnai sąveikauja su kitais kristalinės gardelės atomais, nes juos tarsi ekranuoja išorinis apvalkalas. Todėl vidinės energijos zonos yra siauresnės nei išorinės. 1 pav. pateiktos diagramos yra vienmatės, tai yra, ant jų niekas nebraižoma horizontaliai, o vietoj taškų yra savavališko ilgio linijos tik dėl aiškumo. Kadangi elektronai, kurių energijos lygiai yra vidinėse juostose, negali dalyvauti elektros laidumo procese, jie dažniausiai nevaizduojami energijos diagramose, o energija skaičiuojama nuo žemiausio lygio B3. 2 paveiksle parodytos Si ir Ge energijos (juostos) diagramos.

IN
esantis virš B3 Atlyginimas kuri yra laisvųjų elektronų energijos lygių rinkinys. Ši zona kartais vadinama nemokamai. Tarp B3 ir ZP yra ZZ kurio plotis lygus minimaliai energijai, kuri turi būti perduota B. Elektronas, kad jis galėtų atitrūkti nuo atomo ir tapti laisvas (kad elektronas judėtų iš aukščiausio lygio B3W B į žemiausias lygis ZPW P), t.y. 1,12 eV Si ir 0,72 eV Ge. Ši zona vadinama uždrausta, nes elektronas negali joje išbūti ilgą laiką (t. y. ilgą laiką turėti šią zoną atitinkančius energijos lygius). Jei elektronas gavo papildomos energijos, kuri yra mažesnė nei reikalinga jo atsiskyrimui nuo atomo, pavyzdžiui, Si, mažesnė nei 1,12 eV, tada elektronas juda tik į orbitą, esančią toliau nuo branduolio. Tokia atomo būsena paprastai vadinama susijaudinęs. Netrukus elektronas grįžta į savo įprastą orbitą, anksčiau gautą energiją išskirdamas į supančią erdvę elektromagnetinės bangos – fotono pavidalu.

Juostos teorijoje dažnai vartojamos šios išraiškos: elektronas juda iš VB į CB, elektronas juda į CB ir kt. Reikia pažymėti, kad tai reiškia elektronų energijos lygius, o patys elektronai, žinoma, juda ne juostomis, o puslaidininkiniame kristale.

Fermi lygis

Tikimybę, kad elektronas bus tam tikrame energijos lygyje esant T temperatūrai, nustatoma pagal Fermi-Dirac funkciją:

kur W F yra energijos lygis, vadinamas Fermi lygiu.

Esant T=0K, tikimybė, kad elektronai užims lygius WW F, yra lygi nuliui:

ir lygiai WW F vienetas:

E Energija perėjimui į laidumo juostą paimama iš šiluminių virpesių. Todėl, esant T = 0K, puslaidininkyje nėra laisvųjų elektronų (ne vieno lygio krūvio zonoje neužima elektronas), visi elektronai yra orbitose (įkrovimo zonoje), todėl energijos krūvio zonos atitinka sąlygą WW F , o įkrovos zonos energijos lygiai atitinka WW F . Tai rodo, kad Fermi lygis W F yra žemiau ZPW P „apačios“ ir virš ZPW B „lubų“, t.y. ZZ. Fig. 3 paveiksle pavaizduotos Fermi – Dirac funkcijos kreivės.

Kai T=0K funkcija f n (W) turi laipsnišką pobūdį. Tikimybė, kad elektronai užims lygius ZP = 0, o VZ = 1.

Esant T 0°K, yra nedidelė tikimybė, kad elektronai užims lygius žemės zonoje, atitinkamai mažėja ir tikimybė, kad jie užims lygius žemės zonoje.

Iš Fermi-Dirac formulės aišku, kad esant temperatūrai, kuri skiriasi nuo absoliutaus nulio (T0), Fermi lygis yra toks energijos lygis lygiuW = W F, formali jo užpildymo elektronu tikimybė yra 0,5 (kadangi e = 1).

Formaliai, nes Fermio lygis yra juostos tarpoje ir iš tikrųjų jo negali užimti elektronas. Taigi specifinę reikšmę turi tik tie pasiskirstymo kreivės f n (W) dalyviai, kurie yra ZP ir VZ.

Fermi-Dirac pasiskirstymo kreivė visada yra simetriška Fermio lygio atžvilgiu. Iš to visų pirma išplaukia, kad vidiniame puslaidininkyje Fermio lygis yra juostos tarpo viduryje. Temperatūrai kylant nuo nulio, atsiranda tam tikra elektronų okupacijos tikimybė energijos lygiai atlyginime. Tačiau tuo pačiu metu tikimybė rasti elektronus oro tarpelyje sumažėja tiek pat. Nesunku pastebėti, kad simetriškai išdėstius pasiskirstymo kreivę f n (W), palyginti su Fermi lygiu, tai įmanoma tik tuo atveju, jei Fermi lygis yra ribinės zonos viduryje.

MINIMALI PROGRAMA

specialybės kandidato egzaminą

01.04.10 " Puslaidininkių fizika"

techniniuose ir fiziniuose bei matematikos moksluose

Įvadas

Pagrindas šios programos išdėstytos pagrindinės dalys Pagrindinės puslaidininkių fizikos žinios apie pagrindines šios srities fizikines problemas, technologijos pagrindus ir puslaidininkinių medžiagų pagrindu veikiančių prietaisų veikimą.

Programa buvo sukurta ekspertų patarimai Aukščiau sertifikavimo komisijaŠvietimo ministerija Rusijos Federacija fizikoje dalyvaujant Maskvai valstybinis universitetas juos. M.V. Lomonosovas, pavadintas fizikotechnikos institutu. A.F.Ioffe RAS, IPP SB RAS, IRE RAS, Lebedevo fizinis institutas. P.N. Lebedeva, IPM RAS ( Nižnij Novgorodas) ir Sankt Peterburgo valstybinis technikos universitetas.

1. Cheminis ryšys ir puslaidininkių atominė struktūra

Elektroninė konfigūracija išoriniai atomų apvalkalai ir kietųjų medžiagų rišamųjų jėgų rūšys. Van der Waals, joninės ir kovalentinės jungtys.

Svarbiausių puslaidininkių konstrukcijos - elementai A IV, A VI ir su A III B V, A II B VI, A IV B VI tipų jungtys.

Kristalų simetrija. Kristalų transliacinė simetrija. Pagrindas ir kristalų struktūra. Vienetinė ląstelė. Primityvi ląstelė. Wigner-Seitz ląstelė. Bravais tinklelis. Mazgų, krypčių ir plokštumų žymėjimai kristale. Reciprokinė gardelė, jos savybės. Brillouin zona.

Kristalinių ir amorfinių puslaidininkių priemaišos ir struktūriniai defektai. Cheminė prigimtis Ir elektronines savybes priemaišų. Taškiniai, linijos ir dvimačiai defektai.

2. Puslaidininkių technologijos pagrindai
ir jų parametrų nustatymo metodai

Tūrinių pavienių kristalų iš skystųjų ir dujinių fazių auginimo metodai.

Epitaksinių plėvelių auginimo metodai (epitaksė iš skystųjų ir dujinių fazių).

Molekulinio pluošto epitaksija. Metalo organinė epitaksija.

Puslaidininkių dopingo metodai.

Pagrindiniai puslaidininkių parametrų nustatymo metodai: juostos tarpas, laisvųjų nešėjų mobilumas ir koncentracija, mažumos nešėjų tarnavimo laikas, priemaišų ir defektų lygių koncentracija ir gylis.

3. Pagrindai juostos teorija puslaidininkiai

Pagrindiniai juostų teorijos aproksimacijos. Bangos funkcija elektronas periodiniame kristalo lauke. Blocho teorema. Brillouin zona. Energetinės zonos.

Svarbiausių puslaidininkių dispersijos dėsniai. Izoenergetiniai paviršiai. Atvirkštinis efektyvusis masės tenzorius. Būsenų tankis. Van Hove ypatybės.

Elektronų ir skylių judėjimo lygtys išoriniai laukai. Efektyvus masės metodas. Energijos juostų kreivumas elektriniame lauke. Elektronų ir skylių judėjimas magnetiniame lauke. Efektyviųjų masių nustatymas pagal ciklotroninį (diamagnetinį) rezonansą. Ryšys tarp juostos struktūros ir puslaidininkio optinių savybių.

Puslaidininkiuose esančių priemaišų centrų sukuriami energijos lygiai. Donorai ir akceptoriai. Seklus ir gilus lygis. Į vandenilį panašūs priemaišų centrai.

4. Elektronų ir skylių pusiausvyros statistika
puslaidininkiuose

Elektronų pasiskirstymo funkcija. Elektronų ir skylių koncentracija juostose, efektyvusis būsenų tankis. Neišsigimusios ir išsigimusios elektronų (skylių) dujos. Elektronų ir skylių koncentracijos vietiniuose lygmenyse. Priemaišų būsenų degeneracijos veiksniai.

Fermio lygio padėtis ir elektronų bei skylių pusiausvyros koncentracija vidiniuose ir priemaišiniuose (nekompensuotuose ir kompensuotuose) puslaidininkiuose. Daugkartiniai priemaišų centrai.

5. Kinetiniai reiškiniai puslaidininkiuose

Kinetiniai koeficientai – laidumas, Holo konstanta ir termo-emf. Dreifo greitis, dreifas ir Hall mobilumas, salės faktorius. Dreifo ir difuzijos srovė. Einšteino santykis.

Krūvininkų sklaidos neidealioje gardelėje mechanizmai. Krūvnešių sąveika su akustiniais ir optiniais fononais. Krūvnešių sklaida įkrautomis ir neutraliomis priemaišomis. Karšti elektronai. Neigiamas diferencinis laidumas. Elektros nestabilumas; elektros domenai ir srovės laidai.

6. Elektronų ir skylių rekombinacija į grindis laidininkai

Nepusiausvyrinių krūvininkų generavimas ir rekombinacija. Kvazi-pusiausvyros, kvazi-Fermi lygiai. Rekombinacijos kinetikos lygtis. Gyvenimo sezonai. Fotolaidumas.

Rekombinacijos mechanizmai. Radiacinė ir neradiacinė rekombinacija. Tarpjuostinė rekombinacija. Rekombinacija per priemaišų ir defektų lygius. Sukibimo centrai. Sraigto rekombinacija.

Erdvėje nehomogeniški nepusiausvyriniai krūvininkų skirstiniai. Ambipolinė difuzija. Dember efektas. Nepusiausvyrinių krūvininkų difuzijos ilgis.

7. Kontaktiniai reiškiniai puslaidininkiuose

Energijos juostų schema metalo ir puslaidininkio kontakte. Praturtinti, išeikvoti ir erdvės krūvio inversijos sluoksniai šalia kontakto. Schottky barjero srovės įtampos charakteristikos.

Energijos diagrama p-n perėjimas. Mažumos krūvininkų įpurškimas į p-n perėjimas.

Heterojungtys. Hetero sandūrų energetinės diagramos.

Kintamieji puslaidininkiai.

8. Puslaidininkių paviršiaus savybės

Paviršiaus būsenos ir paviršiaus zonos. Juostos kreivumas, krūvis ir potencialo pasiskirstymas šalia paviršiaus. Paviršiaus rekombinacija.

Lauko efektas.

Tammovo lygiai. Paviršiaus rekombinacijos greitis.

9. Optiniai reiškiniai puslaidininkiuose

Kompleksinė dielektrinė konstanta, lūžio rodiklis, atspindžio koeficientas, sugerties koeficientas. Ryšys tarp jų ir Kramers-Kronig santykiai.

Tarpzoniniai perėjimai. Savaiminio įsisavinimo kraštas esant tiesioginiams ir netiesioginiams, leidžiamiems ir draudžiamiems perėjimams. Eksitono absorbcija ir emisija. Spontaniška ir stimuliuojama emisija.

Šviesos sugertis ant laisvųjų krūvininkų.

Šviesos sugertis gardelės virpesiais. Šviesos sklaida gardelių virpesiais, Ramano sklaida optiniais fononais (Raman – Landsberg), sklaida akustiniais fononais (Brillouin – Mandelstam).

Priemaišų įtaka optinėms savybėms. Optinių spektrų priemaišų struktūra prie vidinės sugerties briaunos tiesioginio ir netiesioginio tarpo puslaidininkiuose. Tarpinė spinduliuotės rekombinacija. Priemaišų centruose surišti eksitonai.

Optiniai reiškiniai išoriniuose laukuose. Franz-Keldysh efektas. Pockels efektas.

Burstein-Moss efektas.

Faradėjaus ir Voigto efektai.

10. Fotoelektriniai reiškiniai

Priemaišos ir vidinis fotolaidumas. Nepusiausvyrinių krūvininkų sukibimo įtaka fotolaidumui.

Vietinių lygių optinis įkrovimas ir susiję efektai. Termiškai stimuliuojamas laidumas.

Krūvnešių fotošildymas.

Fotoelektromagnetinis efektas.

11. Nekristaliniai puslaidininkiai

Amorfiniai ir stikliniai puslaidininkiai. Nekristalinių puslaidininkių atominės matricos sandara. Tobulas stiklas. Hidrinti amorfiniai puslaidininkiai.

Netvarkingų puslaidininkių elektroninės energijos spektro ypatybės. Būsenų tankis. Elektroninių būsenų lokalizavimas. Mobilumo spraga.

Nekristalinių puslaidininkių dopingas.

Krūvininkų perdavimo mechanizmai. Šokinėjimo laidumas. Moto dėsnis.

Spektrai optinė sugertis nekristalinės medžiagos. Urbacho taisyklė.

Nestacionarūs procesai. Dreifo mobilumo nustatymas pagal skrydžio laiko matavimus. Dispersinis perkėlimas.

Įtaka išorinių poveikių apie nekristalinių puslaidininkių savybes. Metastabilios būsenos.

12. Sumažintų matmenų puslaidininkių konstrukcijos
ir supergardelės

Matmenų kvantavimas. Dvimatis ir beveik dvimatis elektroninės sistemos ir struktūros, kuriose jie įgyvendinami. Kontra- ir kovariantinės kompozicinės supergardelės, legiruoto dopingo supergardelės. Kvantinės gijos. Kvantiniai taškai. Elektronų energijos spektras ir būsenų tankis šiose sistemose.

Optiniai reiškiniai struktūrose su kvantiniais šuliniais, tarpjuostinių ir intraband (intersubband) perėjimų atrankos taisyklės. Tarpjuostinė absorbcija ir radiacinė rekombinacija šiose struktūrose. Eksitonai kvantiniuose šuliniuose, kvantinio dydžio Starko efektas.

Elektriniai ir galvanomagnetiniai reiškiniai dvimatėse konstrukcijose. Šubnikovo-de Haaso efektas. Bendra apžvalga O kvantinis efektas Holla.

13. Puslaidininkinių įtaisų veikimo principai

Srovės-įtampos charakteristika p-n perėjimas. Įrenginiai, naudojantys p-n perėjimai.

Tunelinis diodas. Gunn diodas. Bipolinis tranzistorius. Tiristorius.

Metalo-izoliatoriaus-puslaidininkio konstrukcijos energetinė diagrama

( TIR). Lauko tranzistoriai, pagrįsti MIS struktūromis. Prietaisai su įkrovimu nuodingas ryšys.

Triukšmas puslaidininkiniuose įrenginiuose.

Fotoelementai ir fotodiodai. Spektrinis jautrumas ir aptikimo galimybė. Puslaidininkiniai branduolinės spinduliuotės detektoriai. Fotoelektriniai keitikliai, konversijos efektyvumas.

Šviesos diodai ir puslaidininkiniai lazeriai. Injekciniai lazeriai, pagrįsti dvigubomis heterostruktūromis.

Nanostruktūrų panaudojimas puslaidininkiniuose įrenginiuose. Heterotranzistorius su dvimačiu elektronų dujos(HEMT). Heterolazeriai, pagrįsti struktūromis su kvantiniais šuliniais ir kvantiniai taškai. Rezonansinis tunelis dvigubo barjero heterostruktūroje ir rezonansinis tunelinis diodas. Optinis moduliatorius, pagrįstas kvantinio dydžio Starko efektu.

Pagrindinė literatūra

Bonch-Bruevich V.L., Kalašnikovas S.G. Puslaidininkių fizika. M.: Nauka, 1979 m.

Ziman J. Teorijos principai kietas. M.: Mir, 1974 m.

Kirejevas P.S. Puslaidininkių fizika. M.: Aukščiau. mokykla, 1975 m.

Šalimova K.V. Puslaidininkių fizika. M.: Energoatomizdat, 1985 m.

Zi S. Puslaidininkinių įtaisų fizika. M.: Mir, 1984 m.

Mott N., Mott E. Elektroniniai procesai nekristalinėje kadrai. M.: Mir, 1974 m.

Mott Yu.I. Puspreso optinės savybės vodnikovas. M.: Nauka, 1977 m.

Pastaba. Ruošiantis techniniam egzaminui Mokslai būtina ypatingas dėmesysžr. programos 13 skyrių.

PUSLAIDINČIŲ FIZIKA

Kita fizikos sritis, prie kurios akademikas A.F.Ioffe kartu su savo studentais taip pat įnešė didžiulį, visuotinai pripažintą indėlį, yra puslaidininkių fizika. Šiandien mums sunku įsivaizduoti fiziką be šios labai svarbios srities, bet trisdešimties papildomų metų prieš, kai A.F.Ioffas pradėjo dirbti sisteminiai tyrimai puslaidininkių savybes, daugelis fizikų labai kritiškai vertino šią pastangą. Tuo metu atrodė, kad tik metalai ir dielektrikai yra rimtos medžiagos fiziniai tyrimai. Laidininkai ir izoliatoriai yra svarbūs ir reikalingi technologijoms, tačiau puslaidininkiai, nors ir apima daugumą natūralių junginių, yra nenaudinga ir neperspektyvi medžiaga. Tačiau akademikas A. F. Ioffe puikiai numatė didžiulį revoliucinį vaidmenį, kurį puslaidininkiai šiandien atlieka technologijose.

Iš pradžių reikėjo daug sukurti – pirmiausia metodus, kaip gauti pakankamai grynus puslaidininkius ir metodus. eksperimentinis nustatymas jų pagrindinės fizinės savybės: srovės nešiklių koncentracija, laidumo tipas (elektroninis arba skylė), nešėjų mobilumas ir kt. Daugelis šių metodų, kuriuos pirmiausia sukūrė A.F.Ioffe'as ir jo mokiniai, vėliau tapo klasikiniais.

Ioffe „mokykla“ atliko visą eilę novatoriškų įvairių tipų puslaidininkių elektrinių, galvanomagnetinių, termoelektrinių ir fotoelektrinių savybių tyrimų.

Vienas iš svarbiausi rezultatai A.F.Ioffe'as ir jo bendradarbiai atrado didžiulę priemaišų įtaką elektrines savybes puslaidininkiai. A.F.Ioffe'as parodė, kad priemaišos ne tik keičia puslaidininkių laidumą plačiame diapazone, bet netgi gali pakeisti srovės nešiklių ženklą, elektroninį puslaidininkį paversti skylutiniu ir atvirkščiai. Be to, priemaišos vaidmenį gali atlikti ne tik svetimi atomai, bet ir paties puslaidininkio atomai, jei jų perteklius ar trūkumas. Pavyzdžiui, švino atomų perteklius (atsižvelgiant į stechiometrinį santykį) PbS puslaidininkyje paverčia šį puslaidininkį elektroniniu, o sieros perteklius – skyliniu puslaidininkiu.

A.F.Ioffe'as pirmasis suformulavo ir eksperimentiškai pagrindė šiuolaikinės idėjos apie puslaidininkių ištaisymo mechanizmą. Jis parodė, kad blokuojantis sluoksnis susidaro dėl dviejų puslaidininkių kontakto su skirtingais srovės nešikliais - elektronu ir skyle (šiuolaikine terminija " p-n– perėjimas“). Šiuo atveju srovė gali laisvai praeiti tik ta kryptimi, kuria elektronai ir skylės juda vienas kito link kontakto, kur jie susitinka ir rekombinuoja. Priešingu atveju elektronai ir skylės tolsta vienas nuo kito, o kontaktinio sluoksnio laidumas smarkiai sumažėja, nes jame lieka labai mažai srovės nešėjų. Šie darbai atvėrė kelią puslaidininkinių lygintuvų (diodų) kūrimui.

Daugelio intermetalinių lydinių, priklausančių vadinamiesiems „daltonidams“ (ZnSb, Mg 3 Sb 2, Mg 2 Sn ir kt.) puslaidininkių savybių tyrimas – tipiški cikliniai junginiai su valentiniu ryšiu, A. F. Ioffe sukūrė puslaidininkių, kurių savybės skiriasi plačiame diapazone, gamybos metodą.

Ypač didelis dėmesys A.F.Ioffe'as tyrė puslaidininkių termoelektrines ir fotoelektrines savybes. Naudojant šias savybes, galima sukurti naujus būdus, kaip šilumos ir šviesos energiją tiesiogiai paversti į elektros energija, patikimesnis ir ekonomiškesnis.

A.F.Ioffe sukūrė termoelektrinių generatorių ir termoelektrinių šaldytuvų teoriją (naudojant Pelte efektą), atveriančią šiuolaikinės technologijos nauja didžiulė sritis – puslaidininkių energija. Jam vadovaujant buvo sukurta dešimtys naujų tipų puslaidininkinių įtaisų ir energetinių įrenginių, kurie sulaukė įvairių praktinių pritaikymų.

Fizika kaip mokslas ir menas Carl DARROW Nuo kalbos susitikime, skirtame Amerikos fizikos instituto įkūrimo 20-mečiui, savo kalbą turėčiau pradėti nuo fizikos apibrėžimo. Amerikos fizikos institutas tai jau suformulavo