Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів




НазваГаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів
старонка1/23
Г И Гранитову
Дата канвертавання21.12.2012
Памер3.11 Mb.
ТыпДокументы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23
ББК 22.379

Г20 УДК 537.311.33 (075)


Рецензенти:

доц. Московського станкоинструментального інституту,

канд. техн. наук Г. И. Гранітів;

викладач Московського технікуму електронних приладів А. В. Закревская


Гаркуша Ж.М.

Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів.- М.: Высш. школа, 1982. - 245 з, іл. У пров. 65 к.

У підручнику даний опис основних закономірностей будівлі твердого тіла на основі сучасних квантово механічних представлень: розглянуті найбільш важливі электрофизические властивості, явища й ефекти, що спостерігаються у твердих тілах, кінетичні і контактні явища, термоелектричні і фотоелектричні властивості напівпровідників і електронні процеси, що протікають у тонких плівках.

Призначається для технікумів, що учаться, за фахом "Виробництво напівпровідникових приладів".

2403000000-211 ББК 22.379

Г 001(01)-82 531.9

© Видавництво "Вища школа", 1982


ПЕРЕДМОВА

затвердженої Учбово-методичним керуванням по середній фаховій освіті МВ і ССО СРСР від 3 липня 1973 р.

При викладі матеріалу основна увага приділяється фізичній природі явищ і процесів, що протікають у твердих тілах. Математичні викладення практично відсутні, тому що і початку вивчення курсу учні ще не володіють достатніми математичними знаннями. Для більш глибокого вивчення матеріалу учні можуть використовувати підручники, призначені для студентів вузів. Відповідний список літератури представлений наприкінці книги.

Крім основного матеріалу, передбаченого програмою, у книгу включений ряд питань, зв'язаних з основними спрямованими напівпровідникової електроніки, наприклад явище надпровідності в напівпровідниках, сверхрешетки, рідкі кристали й ін.

"Основи фізики напівпровідників" - це перший зі спеціальних курсів; органічним продовженням його є курс "Напівпровідникові прилади й основи їхнього проектування".

Автор вдячний доц. Московського станкоинструментального інституту, канд. техн. наук Г. И. Гранитову і викладачу Московського технікуму електронних приладів А. В. Закревской за коштовні зауваження і ради, висловлені при резензуванні рукопису, а також канд. техн. наук В. В. Ковалевской за велику допомогу, зроблену при підготовці рукопису. Автор виражає вдячність канд. фіз.-мат. наук В. В. Юдину, що взяли на себе праця по науковому редагуванню книги.

Відкликання і зауваження просимо направляти, але адресі: Москва, Неглинная вул., 29/14, видавництво "Вища школа".

Автор


УВЕДЕННЯ

Дійсний курс присвячений вивченню електричних, теплових і оптичних властивостей напівпровідників, а також ефектів, що виникають при взаємодії носіїв заряду, що рухаються в напівпровідниках, із прикладеними ззовні електричними і магнітними полями 11 з різними видами випромінювання.

Сучасні наукові вишукування немислимі без напівпровідникової електроніки, від тонких фізичних і біологічних експериментів до дослідження космосу - такий діапазон її використання. Досягнення в області освоєння космічного простору неможливо представити без застосування напівпровідникових сонячних батарей, систем бортової автоматики, сконструйованих із застосуванням малогабаритних, економічних і надійних напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем.

Швидкий розвиток напівпровідникової електроніки був стимульований фундаментальними науковими досягненнями в областях квантової механіки, фізики твердого тіла і фізики напівпровідників. Проникнення електроніки в усі області науки і техніки визначається головним чином великими функціональними можливостями напівпровідникових приладів, заснованих па використанні унікальних фізичних властивостей напівпровідників і електронних процесів у них, таких, як одночасне існування носіїв заряду двох знаків: позитивних - дірок і негативних - електронів; сильна залежність величини і типу електропровідності напівпровідника від концентрації і типу примесных атомів; висока чутливість до впливу світла і тепла, чутливість до дії магнітного полючи і механічних напруг; ефект однобічної провідності при проходженні струму через электронно-дырочный перехід (р-п- перехід), нелінійність вольтамперной характеристики р-п-перехода і явище інжекції носіїв заряду з його допомогою; лавинне розмноження носіїв заряду в сильних електричних полях і ін.

Напівпровідники відомі вченим давно, і їхні дивні властивості, такі, як негативний температурний коефіцієнт опору, наявність двох типів електропровідності, фотопровідність і ефект випрямлення на контакті метал - напівпровідник, досліджувалися ще в минулому столітті. Російським і радянським ученим належить видна роль у створенні і розвитку теорії напівпровідників і в реалізації їхнього практичного застосування.


4


На початку нашого століття винахідник радіо, великий росіянин вчений А. С. Попов досліджував випрямні властивості контакту металевого вістря з напівпровідниковим кристалом, що привело до створення крапкових детекторів, що знайшли застосування в радіотехніку. У 1906 р. П. П. Павловский розробив і сконструював перший напівпровідниковий сульфідний выпрямитель. У 1922 р. О. В. Лосєв, досліджуючи вольтамперную характеристику крапкового детектора, знайшов на пий ділянку з негативним диференціальним опором, що дозволило йому уперше використовувати напівпровідниковий прилад для посилення і генерації електричних сигналів. Широкі дослідження напівпровідників у СРСР минулому початі в 20-х роках під керівництвом академіка А. Ф. Иоффе у Фізико-технічному інституті. Багато хто з основних теоретичних понять фізики напівпровідників уперше сформулювали Я- И. Френкель, И. Е. Тамм, Б. И. Давыдов, К. Ф. Гросс, В. А. Жузе, В. Е. Лошкарев, В. М. Тучкевич і Др. Ними ж були створені термоелектричні перетворювачі для безпосереднього одержання електричної енергії з тепловий, напівпровідникові холодильники, "тверді выпрямители", елементи і фоторезистори.

Початок розвитку напівпровідникового виробництва в нашій країні відносять до 30-м років, однак обсяг випуску приладів у цей період був невеликий. Різке збільшення випуску напівпровідникових приладів було стимульовано застосуванням їх у техніку електрозв'язку і радіолокації. У 1948 р. американськими вченими Д. Бардін, У. Браттейном і У. Шокли був створений транзистор, і незабаром виробництво транзисторів розгорнулося в багатьох країнах. Одночасно почалося інтенсивне вивчення фізики напівпровідників, чому сприяли успіхи в технології одержання зроблених напівпровідникових монокристаллов. Поява транзисторів обумовило широкий розвиток обчислювальної техніки. Зросла надійність електронно-обчислювальних машин, зменшилися їхні габарити, маса і споживана потужність.

Обчислювальна техніка, тісно зв'язана з усіма галузями народного господарства, є матеріальною основою для автоматизації розумової праці. За останні тридцять років перемінилися три покоління обчислювальних машин. Сучасні ЕОМ четвертого покоління мають високу швидкодію і пам'яттю з великою інформаційною ємністю. Їхнє створення стало можливим завдяки досягненням у розвитку фізичних основ мікроелектронної техніки.

Поява в 60-х роках пленарної технології зробило дійсну революцію в напівпровідниковій електроніці. Різко збільшився випуск кремнієвих приладів, завдяки груповій технології їхнього виготовлення; був здійснений випуск Мдп-транзисторов з ізольованим затвором. Швидкими темпами початку розвиватися інтегральна електроніка й у першу чергу - інтегральні напівпровідникові мікросхеми.5

У зв'язку з відкриттям у 1962 р. змушеного випромінювання в арсеніді галію Д. И. Наследовым, А. А. Рогачов, С. М. РИБКІН і Б. В. Царепковым зріс інтерес до оптичних властивостей напівпровідників, що привело до створення Б. М. Вулом, А. П. Шотовым у СРСР і Холом у США напівпровідникових лазерів на р-n-пере-ходе, а пізніше - Ж. И. Алфьоров і іншими - на гетеропереходе.

В даний час фізика напівпровідників є одним з найбільш важливих розділів сучасної науки, що має широке практичне застосування.

У матеріалах XXVІ з'їзду КПРС відзначалося, що країна вкрай має потребу в тім, щоб зусилля "великої науки" поряд з розробкою теоретичних проблем, у більшій мері були зосереджені на рішенні ключових народногосподарських питань, на відкриттях, здатних внести справді революційні зміни у виробництво.

З ростом енергетики зв'язане збільшення видобутку органічних видів палива. Однак запаси хімічного палива на планеті дуже обмежені, тому учені всіх країн зайняті пошуками нових джерел і способів одержання енергії. Одним з таких джерел є Сонце. Сонячну енергію можна перетворити в електричну за допомогою напівпровідникових фотоелектричних приймачів випромінювання. Якщо зібрати сонячну енергію з площі в 0,1% земної поверхні, то електричної енергії буде отримано в десятки разів більше, ніж неї одержують зараз на всій земній кулі. Однак коефіцієнт корисної дії напівпровідникових фотоперетворювачів поки ще малий, а вартість такого перетворення в сотні разів вище, ніж у тепло- і гідроенергетичних станцій, тому область застосування сонячних батарей обмежена. Безумовно, згодом напівпровідникові перетворювачі енергії займуть гідне місце серед інших джерел енергії.

Найважливішою складовою частиною бази, на якій розвивається сучасна науково-технічна революція, є мікроелектроніка, що забезпечує підвищення надійності електронної апаратури, її швидкодія і зниження витрат на її виготовлення. В Основних напрямках економічного і соціального розвитку СРСР па 1981-1985 роки і на період до 1990 року поставлена задача підвищити технічний рівень обчислювальної техніки, приладів і засобів автоматизації на основі новітніх досягнень мікроелектроніки, оптоелектроніки і лазерної техніки.

Слід зазначити, що мікроелектроніка вже ступнула за земні межі. Завдяки успіхам, досягнутим у створенні й експлуатації довгострокових пілотованих орбітальних станцій, був здійснений ряд технологічних експериментів з використанням комплектів приладів "Кристал", "Дифузія" і інших по одержанню однорідних кристалів германія, що містять домішки кремнію і сурми, по вирощуванню кристалів селеніду і теллурида германія, по одержанню эпитаксиальных шарів

6

і твердих розчинів германій- селенів- телур, германій -сірка - селенів.

Проведені експерименти показали, що в космічних умовах можна одержати кристали напівпровідників, що володіють |большим досконалістю й однорідністю, а також великими розмірами, чим на Землі.

Значний внесок у вітчизняну і світову науку і техніку в області фізики напівпровідників і напівпровідникової

електроніки за останні два десятиліття внесли радянські вчені Б. М. Вул. В. М, Тучкевич, Д. Н. Наследов, Л. В. Келдыш,

Я. А. Федотов, Ж. И. Алфьоров, А. В. Красилов і ін.

Успіхи квантової електроніки, оптики, радіофізики і фізичної електроніки, фізики твердого тіла і низьких температур

дозволяють створювати нові типи лазерів, оптичних і радіо-

електронних приладів, нові засоби передачі й обробки ин-

формації, нові конструкційні, магнітні, напівпровідникові

сверхпроводящие матеріали, а також нові технічно ланцюгові

кристали.


РОЗДІЛ 1

БУДІВЛЯ АТОМА

$ 1.1. ТЕОРІЯ ПЛАНКА І ФОТОЕФЕКТ

Теоретичною основою сучасного навчання про будівлю речовини є квантова механіка. Розвиток квантової теорії бере свій початок від гіпотези Макса Планка про переривчастий характер процесів випущення світла. У 1900 р. Планк припустив, що промениста енергія випускається тілами не безупинно, а дискретно, окремими порціями - квантами. Величина енергії Е кожного кванта зв'язана з частотою випромінювання v рівністю, що одержала назву співвідношення Планка:

E=h v (1.1)

де h - коефіцієнт пропорційності, називаний постійної Планка і рівний 6,26- Ю-34 Дж-с.

Теорія Планка була розвита і доповнена А. Эйнштейном. Досліджуючи явище фотоелектричного ефекту, учений прийшов до висновку, що електромагнітна енергія існує тільки у виді квантів, і що електромагнітне випромінювання являє собою потік неподільних матеріальних часток - фотонів, енергія яких визначається рівнянням Планка.

Сутність фотоефекта, відкритого в 1887 р. Г. Герцом і дослідженого вперше в 1888-1889 роках А. Г. Столетовым, полягає в наступному: якщо тверде тіло висвітлювати світлом відповідної довжини хвилі, відбувається виліт електронів з цього тіла. Щоб електрон під впливом світла залишив тіло, йому потрібно повідомити додаткову енергію, необхідну для розриву зв'язків із твердим тілом.

Мінімальну енергію, яку потрібно повідомити електрону для того, щоб видалити його з твердого тіла, називають роботою виходу. Отже, енергія, що повідомляється електронам квантами світла, повинна бути по величині не менше роботи виходу.

Робота виходу f виражається в електрон-вольтах (ев). Один електрон-вольт - це енергія, що здобуває електрон, що прискорюється різницею потенціалів в одні вольтів (1 ев = 1,6-10-19 Дж) Під дією різниці потенціалів V електрон здобуває

енергію Е = e U.

Досвід по вивченню фотоефекта складається у вимірі числа електронів, що випускаються, і їхньої енергії у функції інтенсивності і


8

частоти падаючого монохроматичного світла. Схема досвіду представлена на мал. 1.1. Фотокатод вакуумного фотоелемента опромінюють світлом постійної інтенсивності і постійної довжини хвилі. Електрони, що випускаються фотокатодом, можна піддавати дії або затримуючого (U<0), або що прискорює (U>0) електричного полючи. У першому випадку на анод потраплять тільки електрони з великими енергіями, а електрони з меншими енергіями загортаються полем і попадають назад

на фотокатод. При U>0 струм не залежить від

напруги, тобто всі що випускаються фотока-

тодом електрони досягають анода (мал.

1,2). Якщо затримуюче напруга більше U0, жоден електрон не досягне анода.

При зміні інтенсивності світла L і

при постійній частоті випромінювання v кінетична енергія електронів не змінюється,

Т.с.Uo залишається постійним, а міняється

лише число електронів, що випускаються, (мал. 1.3). Такий експеримент можна провести

при дуже малих значеннях інтенсивності

світла, і усе-таки величина фотоструму буде

строго пропорційна інтенсивності випромінювання.

При постійній інтенсивності світла і при зміні його частоти змінюється максимальна енергія e U0 фотоелектронів,



причьом U0 є лінійною функцією v (мал. 1.4), а нахил прямої U0(v) не залежить від речовини фотокатода (мал. 1.5). Пояснимо отримані залежності. Кожен квант світла, що падає па тверде тіло, може передати, свою енергію h v окремому електрону. Якщо значення енергії квінта перевищує значення роботи виходу, що поглинув енергію кванта електрон вилетить із твердого тіла з якоїсь початкова 9

швидкістю u і деякою початковою кінетичною енергією

m u2/2=h v-, (1.2)

де т - маса спокою електрона.

Цю рівність називають формулою Эйнштейна для фотоефекта,

При зростанні інтенсивності світла зростає число фотонів, що падають на фотокатод за одну секунду, і пропорційно цьому зростає число електронів, що вилітають, (див. мал. 1.3). Кінетична енергія кожноговипущеного електрона залежить



тільки від різниці h v -?і початкової кінетичної енергії цього електрона і не залежить від числа фотонів, що падають на фотокатод за одну секунду (див. мал. 1.4).

Пряма, зображена па мал. 1.5, визначається формулою Эйнштейна. Енергія електронів, що переборюють дію затримуючого потенціалу,

чи

Це відоме з математики рівняння прямої лінії виду y = ах + b з нахилом а U0= φ/e, що перетинає вісь ординат у крапці UQ= -φ/e Поки частота випромінювання лежить у діапазоні 00 змінюється для фотокатодів, виготовлених з різних речовин, тоді як нахил прямої залишається постійним, оскільки визначається відношеннямдвох констант h і е.

Наявність світлового тиску, доведена досвідами відомого фізика-експериментатора П. Н. Лебедєва, змушує приписувати світловим хвилям кількість руху. Це привело Эйнштейна до висновку, що квант світла поряд з енергією має кількість руху -імпульсом. Величина імпульсу

тому що

де з - швидкість світла;λ- довжина хвилі.


10

З явища фотоефекта випливає, що фотони поводяться як частки, тобто виявляють корпускулярні властивості. У той же час вони мають хвильові властивості, що підтверджується такими явищами, як дифракція, інтерференція й ін. Отже, електромагнітне випромінювання має двоїстий, корпускулярно-хвильовий характер, має корпускулярно-хвильовий дуалізм. Корпускулярні властивості фотона виражаються співвідношенням Планка Е = h v , хвильові його властивості - рівністю, що відбиває зв'язок частоти випромінювання з довжиною його хвилі Якщо вираження для частоти підставити в співвідношення Планка, одержимо формулу, що поєднує корпускулярні і хвильові властивості фотона: (1.3)

У той же час, відповідно до відомого співвідношення Эйнштейна, енергія фотона де т - маса фотона. Дорівняємо вираження для енергії фотона:

Перетворити цю рівність, одержимо рівняння ДЕ- Бройля



У 1924 р. Луи ДЕ Бройль у результаті теоретичних досліджень прийшов до висновку про хвильові властивості часток і цим порожн-жив початок нової теорії, названої хвильовий чи квантової механіком. Ідея ДЕ Бройля полягала в тому, що корпускулярно хвильовий дуалізм присущ усім видам матерії. Якщо частка має анергію Е и імпульс р, то з нею зв'язана відповідна довжина хвилі:?= h/p, де р = m u - кількість руху частки. Ці хвилі звуться хвиль ДЕ Бройля. Перше експериментальне підтвердження гіпотеза одержала в 1927 р., коли за допомогою досвідів Девнссона і Джермера були виявлені хвильові властивості електронів, що виявляються в дифракції електронного пучка, па-, що дає з визначеною швидкістю на поверхню монокристалла. Для електронів з невеликою енергією поверхня кристала була плоскими дифракційними ґратами, і електрони, відбиваючи, розсіювалися відповідно до пророкувань теорії дифракційних хвиль.

Схема досвіду Девиссона і Джермера показана на мал. І. 6. Елі- тронна гармата, монокристалл і детектор укладені в откачную трубу. Кристал може обертатися так, що кут ? приймає раз- особисті значення. Електрони, що попадають з електронної гармати на кристал, мають енергію, обумовлену величиною прикладенийі- ного напруги. Електрони, відбиті від кристала під кутом 0, потрапивши в детектор, створюють струм, регистрируемый вимірювальним приладом. Досвід полягає у вимірі струму, проходящею через детектор, у залежності від кута повороту ? кристала.

11


Обертання кристала приводило до того, що струм мінявся не монотонно, а давав ряд максимумів (мал. 1.7). Це означає, що відображення електронів відбувається відповідно до законів дифракції волі, тобто в результаті розсіювання на системах рівнобіжних кристалографічних площин, причому максимуми відбитих пучків відповідають відомій умові Брэгга - Вульфа *: де φ -кут падіння пучка електронів на дану кристалографічну площину; d - відстань між соответ-









ствующими кристалографічними площинами. Довжина хвилі електронів



у досвідах Девиссона і Джермера складала ^ 0,1 нм. Таким чином, хвильові властивості часток були доведені експериментально.


  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23

Дадаць дакумент у свой блог ці на сайт

Падобныя:

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconЦе нова программа, що запропонована ректором. При підготовці до іспиту використовувати підручник «Основи економчної науки» взятии в бібліотеці. Модуль на наступної сесії
Це нова программа, що запропонована ректором. При підготовці до іспиту використовувати підручник «Основи економчної науки» взятии...

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconАвторефератів 130 назв
Литвин, І.І. Інформатика: теоретичні основи І практикум : Підручник для студентів вищих навчальних закладів / І.І. Литвин, О. М....

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconОснови християнської етики
Програма “Основи християнської етики для учнів 1-4, 7-11 класів” рекомендована Міністерством освіти І науки України (Лист 1/іі-6347...

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconПочинаємо вивчати фізику
Навчання фізики в загальноосвітніх навчально-виховних закладах має бути диференційованим, що означає множинність та варіативність...

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconОснови анатомії та фізіології тварин
С 44 Сердюк В. О. Основи анатомії та фізіології тварин. Навчальний посібник для учнів та вчителів. Київ, 2008. – 110 с

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconПрограма курсу «Основи психології»
Методичні вказівки до вивчення курсів «Основи психології» та «Соціальна психологія» для студентів 2-го курсу спеціальності 030301...

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconЛ. Д. Гординський основи математичного
...

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconБазилевич В. Д. Інтелектуальна власність: Підручник
Базилевич В. Д. Інтелектуальна власність: Підручник. К.: Знання, 2006. 431c. Мон україни

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconПроект програми, підручник факультативного курсу для 9 класу м. Хмельницький
Навчальний посібник призначений для вчителів математики та учнів 9 (10-11) класу для занять факультативу, підготовки до олімпіад,...

Гаркуша Ж. М. Г20 Основи фізики напівпровідників: Підручник для технікумів iconПрактична робота №1
В даному посібнику міститься повний комплект інструкцій для виконання практичних робіт з фізики для учнів

Размесціце кнопку на сваім сайце:
be.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©be.convdocs.org 2012
звярнуцца да адміністрацыі
be.convdocs.org
Галоўная старонка