Лазарь Соломонович Стильбанс
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Книга представляет собой систематическое рассмотрение основных разделов физики полупроводников: качественного и количественного описания строения полупроводниковых кристаллов, энергетического спектра и статистики электронов и фононов, теории явлений переноса, оптических и фотоэлектических свойств и контактных явлений.
В первой главе эти вопросы рассмотрены в качественной форме, а в последующих дается количественный анализ, но при этом везде делается упор на физическую сущность явлений; необходимые для понимания этого материала сведения из теоретической физики (квантовой механики, статистики и термодинамики) приводятся в тексте попутно с основным материалом. Вторая глава посвящена описанию основных свойств кристаллов: симметрии, характера химической связи, дефектов, тепловых колебаний и теплоемкости. В третьей главе дается представление об электронной теории кристаллов (предпосылки введения адиабатического и одноэлектронного приближения, методы анализа и особенности зонной структуры полупроводников). Статистике электронов в полупроводниках посвящена четвертая глава, в которой также приведены некоторые положения термодинамики.
В пятой, шестой и седьмой главах излагаются основы теории явлений переноса (анализ кинетического уравнения, электро- и теплопроводности полупроводников, термоэлектрических, гальвано- и термомагнитных явлений). Восьмая глава посвящена теориям выпрямления на контакте металл — полупроводник и р-п
переходе, и девятая — оптическим явлениям (поглощению света, фотопроводимости, фотовольтаическим эффектам и стимулированному излучению).
Книга рассчитана на широкий круг читателей — инженеров, научных работников и студентов старших курсов технических вузов.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 3
Глава первая. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ 6
1. 1. Некоторые сведения о строении атома 6
1. 2. Энергия и движение электрона в твердом теле 10
1. 3. Электропроводность полупроводников 36
1. 4. Теплопроводность полупроводников 43
1. 5. Контактные явления 55
1. 6. Термоэлектрические явления 75
1. 7. Гальваномагнитные и термомагнитные явления 83
1. 8. Фотопроводимость 100
Глава вторая. СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ 113
2. 1. Некоторые вопросы квантовой теории 113
2. 2. Геометрия кристаллической решетки 147
2. 3. Дефекты в кристаллах 163
2. 4. Тепловые колебания кристаллов 174
2. 5. Теплоемкость 184
Глава третья. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ 190 КРИСТАЛЛОВ
3. 1. Адиабатическое приближение 190
3. 2. Одноэлектронное приближение 194
3. 3. Приближение почти свободных электронов 198
3. 4. Приближение сильно связанных электронов 207
3. 5. Основные особенности структуры энергетических зон 209 полупроводников
Глава четвертая. СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ 217
4. 1. Некоторые понятия статистики и термодинамики 217
4. 2. Распределение Ферми 224
4. 3. Статистика невырожденного электронного газа в полупроводниках 226
4. 4. Энергия электронов в зоне проводимости, вырождение 235
Глава пятая. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЯВЛЕНИЙ ПЕРЕНОСА 244
5. 1. Элементарный расчет электропроводности и подвижности 245
5. 2. Кинетическое уравнение (учет энергетической зависимости времени 260 релаксации)
5. 3. Феноменологический анализ явлений переноса 270
5. 4. Вычисление времени релаксации 271
5. 5. Явления в сильных электрических полях 278
Глава шестая. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И 292 ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
6. 1. Термоэлектродвижущая сила 294
6. 2. Вывод коэффициента термо- э.д.с. из кинетического уравнения 296
6. 3. Увлечение электронов фононами 299
6. 4. Зависимость термо- э.д.с. от температуры и концентрации носителей 304
| 6. 5. Электронная теплопроводность 311 |
|
| 6. 6. Теплопроводность кристаллической решетки |
317 |
| 6. 7. Фотонная теплопроводность |
329 |
| Глава седьмая. ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ И ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ |
331 |
| 7. 1. Общие сведения |
331 |
| 7. 2. Эффект Холла и изменение сопротивления в магнитном поле |
341 |
| 7. 3. Эффект Эттингсгаузена |
350 |
| 7. 4. Гальваномагнитные явления в сильных магнитных полях |
351 |
| 7. 5. Термомагнитные явления |
355 |
| Глава восьмая. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ |
362 |
| 8. 1. Особенности контактных явлений |
362 |
| 8. 2. Контакт полупроводника и металла |
366 |
8. 3. Диффузионная теория выпрямления Мотта (химический барьерный 368 слой на границе металла с полупроводником)
8. 4. Диодная теория Бете 373
8. 5. Теория физического запорного слоя (теория истощения Шоттки) 375
8. 6. Теория p-n перехода 378
Глава девятая. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ 400
| 9. 1. Поглощение света |
400 |
| 9. 2. Фотопроводимость |
409 |
| 9. 3. Фотовольтаические эффекты |
421 |
| 9. 4. Циклотронный резонанс |
426 |
| 9. 5. Стимулированное излучение |
430 |
| Литература |
441 |
| Предметный указатель |
443 |
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Адиабатическое приближение 190—194, 196
Альфа-подход (в теории термоэлектричества) 302
Ангармоничность (колебаний) 48, 54, 55, 186, 319 Антизапорный слой 64, 65 Атомные кристаллы 170
Базисный вектор (решетки) 152, 155, 157, 160, 198, 210 Бозе — Эйнштейна распределение 322, 324, 328
Больцмана распределение 184,
Бравэ решетки 156, 157
Бриллюэна зоны 204, 205, 211, 213, 216
Валентная зона 13, 14, 16, 18, 36, 109, 203, 434, 435
Вероятность нахождения частицы 122, 134 — перехода 130, 131, 138, 141
«Вертикальные» переходы — см. Переходы
Видемана и Франца закон 45, 256, 311, 315, 316
Волна электрона 121, 122, 128, 158, 249
Волновая функция 122, 123, 130, 190, 192, 196—200, 274, 275, 285
Волновое число 47, 160, 259, 285
Волновой вектор 47, 53, 117, 122, 159-161, 176, 179, 181, 202, 320, 322
Волны упругие 46, 176, 317,
Вольтамперная характеристика контакта двух металлов 61
— — — полупроводника и металла в диодной теории 66—68, 373—376
— — — — — — в диффузионной теории 66, 68, 69, 368—373, 376—378
— — p-i-n
перехода 396
— — р-п
перехода 72—75, 385— 396
— — фотоэлемента 425
Время жизни 72, 106, 392, 409, 416, 420
Время релаксации 41, 218—220, 256, 258—261, 267—278, 355, 404, 415
— —, энергетическая зависимость 256, 260, 261, 271, 343, 357
— — фононов 300, 301, 317, 323—325
— — —, дисперсионные зависимости 325—326
Время свободного пробега 37, 100, 247, 249, 257, 259—261, 279, 429
Выпрямление на контакте двух металлов 60, 61
— — — — полупроводников 61
— — — полупроводника и металла 66—70
Вырождение (см. также «масса эффективная», «невырожденное», «электронный газ», «дырочный газ», «состояния», «полупроводники»31, 78,235,282, 339,413
—, кратность 224
—, критерий 242
— ориентационное 235
— полное 237, 241, 243, 342
—, связь с эффективной массой 240
— сильное 44, 242, 243
—.снятие 31, 137, 138, 201,235
—, степень 30, 238, 261, 312, 316
— частичное 31, 35, 239, 242, 433
Гальвано-магнитные явления 83, 85—98, 99, 244, 331, 334, 341, 351
— —, коэффициенты 270
— — поперечные, продольные 92, 99, 351
Гамильтона оператор (гамильтониан) 131—134, 139, 142, 190, 207
Генерация носителей 101, 104, 378, 379, 418 Групповая скорость 117, 179, 180
— — распространения тепловых колебаний 49
— — электронной волны 202, 236
Дебаевский радиус экранирования 288, 363
Дебая температура 41, 51, 52, 54, 55, 89, 96, 97, 187, 255, 276, 277, 283, 327
— функция 188
Дембера эффект 422
Дефекты решетки 34, 36, 37, 39, 48, 163—174, 319, 324
Диффузии коэффициент 69, 72, 364, 422
— — для ионов 172, 173
Диффузионная длина 72, 365, 381—383, 392, 394, 423 Диффузионная теория — см. выпрямление
Диффузия биполярная 82, 349, 357
— ионов 171
— носителей 68, 72, 74, 78, 363, 397, 421, 422
Диффузия электронно-дырочных пар 45
Длина свободного пробега 37, 39, 40, 42, 44, 48, 49, 54, 66, 68, 81, 94, 96, 97, 247, 249, 257, 261, 275— 276, 279, 317, 324, 337, 343, 368, 373, 374
Емкость р-п
перехода 280, 301, 364, 366, 376, 389—392
Жидкость фермиевская 239
—электронная 30, 238
Запорный слой 63, 64, 66, 72, 290, 363, 368—378, 423
Заселенность инверсная 433, 434, 436, 437, 440
Захват носителей 104, 105
Зеркального изображения силы 371, 372
Зона (энергетическая) 11—15, 56, 100, 209—216
— запрещенная 16, 18, 20, 32, 46, 108, 166, 202, 235, 286, 289, 306, 399, 416, 434, 435, 440
Импульс фонона 53, 54, 118, 254, 258
— фотона 108, 109, 405, 408—409
— электрона (см. также квазиимпульс) 27, 121, 190 254, 259, 405—406 Импульса закон сохранения 54, 104, 108, 110, 111, 251, 253, 405, 435
Инжекция 74, 75, 362, 380—385, 394—395, 440 Интеграл перекрытия 207, 208
— столкновений 267, 269, 323
Ионизация двухступенчатая 410
—термоэлектронная 285—287, 373
— ударная 285, 289—291,362, 365, 384, 392
— электростатическая 285, 362, 375, 384
Квазиимпульс фонона 253
— электрона 27, 214, 241, 253, 257
Квазистатический процесс 220
Квазиуровень Ферми 382—384, 417
Квазичастицы 219, 253
Квантовый выход 106, 112
Кванты энергии волны 114, 116
— — излучения 120
— — осциллятора 51, 53
Кикоина — Носкова фотомагнитный эффект 422—423
Кинетическое уравнение (Больцмана) 260—270, 340, 341
— — для фононов 318, 325, 328
Ковалентные кристаллы 89, 144, 147, 176, 196, 197 Когерентного излучения генераторы 142
Колебания атомов решетки, акустические 89, 181—183, 188, 317, 318
— — — оптические 41, 89, 112, 181—183, 189, 255, 276, 283, 314, 316, 317
— — — поляризация 176
— — — поперечные, продольные 176, 317, 318
— — — тепловые 14, 15, 29, 36, 37, 39, 40, 146, 148, 166, 174—184, 237, 238, 274—278, 409
Контактная разность потенциалов 58, 59, 63, 78, 367, 368, 381, 395
Контактные явления 55, 63, 362—399
Концентрация носителей тока 19, 22, 24, 30, 35, 44, 68, 77, 88, 100, 226, 229—234, 241, 278, 304—306, 418
— — , влияние поля 284— 291
— — — неравновесная 102— 103, 380, 382, 384
— электронов в металлах и полуметаллах 19, 30, 31, 43, 242
Край полосы поглощения 108
Кристаллическая решетка 36, 147-163, 171, 208, 211,281
Лавинный эффект 363, 365
Лазер 104, 165, 436, 437, 440
Ландау уровни 340
Ловушки (см. также прилипание) 416—417, 420
Лоренца сила 84, 85, 264, 331, 333, 423
— число 44, 257, 3J6
Магнитная сила 84, 85, 86, 90, 91, 95, 97, 332, 334, 335 Магнитное поле сильное 94, 95, 338, 339, 341, 351—355
— — —, классический и квантовый критерии 340, 351
— — слабое 93, 94, 95, 337, 338, 341, 347 Маджи — Риги — Ледюка эффект 100
Максвелла — Больцмана распределение 35, 227, 239, 328, 347
— закон распределения для скоростей 15
Масса эффективная 24, 27, 35, 42, 120, 212, 213, 214, 277, 331, 392, 427 Мелкие уровни 120
Металлическая связь 144, 147
Металлы 13, 16, 18, 58—62, 78, 176, 237, 242, 298
—, схема валентной зоны 16
— щелочно-земельные 17, 238
— щелочные 16, 34, 199, 237
Миллеровские индексы 163
Модуль .сжимаемости 49
Невырожденное состояние электронного газа 30, 31, 35, 44, 77, 81, 227, 277
Неопределенностей соотношения Гейзенберга 124, 162 Неопределенности принцип 123—128, 175, 249 Непрерывности уравнение 378—379, 389
Нернста — Этингсгаузена эффекты 98—100, 356—358, 423
Обратная решетка 158, 203, 205, 210
— —, вектор 161, 200, 203, 321, 322
— —, — базисный 162
Обратное пространство 159, 161, 162, 198, 210
— —, основная (или приведенная) область 160, 161
— —, элементарная ячейка 160
Обращенный диод 364, 397
Объемный заряд 62, 64
Одноэлектронное приближение 194—198, 209 Паули принцип 13, 56, 126, 175, 196, 199
Пельтье явление 63, 75, 76, 79, 292, 293, 300, 303
— коэффициент 76, 81, 82, 303
— теплота 80
Переноса явления 244—292, 413 — —, феноменологический анализ 270—271 Переход p-i-n
393—396
— электронно-дырочный 70, 71, 280, 362, 363, 366, 378—399, 423, 437, 440
— — на границе полупроводник — металл 65, 66
— — толстый, тонкий 72, 392—396
Переходы (носителей) — см. также «рекомбинация»
— безызлучательные 104, 194
—«вертикальные» 256, 405
— межзонные (прямые) 107, 108, 404—407, 435
—«непрямые» 406, 407, 435, 436
— при столкновениях горизонтальные, вертикальные 313—314
Пи-подход (в теории термоэлектричества) 294, 302
Писаренко формула 82
Плотность состояний (электронных) 28, 32, 33, 42, 227— 229, 308, 339, 382, 417, 418
Поглощение (излучения,
— отрицательное 431, 432
— примесное 107, 108, 110
— свободными носителями 106, 112, 402—404, 435
— собственное (фундаментальное) 107, 109, 409
— —, красная граница 410
—, спектр 107, 408
—.спектральное распределение 409
— экситонное 111, 407—410 Подвижность ионов 173, 174
Подвижность носителей тока 19, 36, 245, 256, 257, 260, 403, 410
— — —, температурная зависимость 19, 256, 261
— — —, экспериментальное определение 88, 97, 356
— —, зависимость от электрического поля 279—284
Полупроводники 13, 18
— вырожденные (см. также вырождение) 35, 89, 227, 357, 407
— ковалентные 41, 89
— невырожденные 40, 41, 92, 237, 418
— примесные 20, 31
— — дырочные 23, 24, 36, 232
— —электронные 21, 31,35, 232
— с атомной решеткой 96, 98
— с ионной решеткой 41, 89, 96, 97
— собственные 20, 32
Полярон 192—194, 249
Потенциал ионизации (ионизационный) 11, 55, 56, 145—147, 166
— решетки периодический— 195—198, 200—206, 210, 214, 412
— химический (см. также уровень Ферми) 222, 223
— — приведенный 226, 241, 304
— —, уровень 33, 35, 57, 58, 71, 78, 80, 166, 227, 241, 294, 309, 381, 396, 431
— электростатический 157, 222
Поток тепла 46, 98, 245, 318, 321, 326, 355
—энергии 245, 270, 329
Преломления показатель (коэффициент) 112, 400, 401
Приближение почти свободных электронов 198—206
— сильно связанных электронов 206—209
Прилипание (см. также ловушки) 414
—, уровень 105
Прицельное расстояние 248, 258
Проводимость ионная 171— 175
Процессы нормальные («N» при фонон-фононных взаимодействиях) 321, 323, 326
— переброса (umclapp) 321— 324, 326
Работа выхода 55—58, 62, 64, 70, 78, 373
Распределение фононов — см. Бозе
— — неравновесное 322, 323, 325, 329
— электронов по волновым векторам 266
— — — — —, неравновесная добавка 269—270, 296
— — — — —, — функция 266, 270, 315
— — — скоростям 262, 263, 344 — — — —, изменение под
действием градиента температуры 313, 314
— — — —, — — — электрического поля 262, 263, 312, 313, 344
— — — —, неравновесное 263—265, 312, 313, 345
Рассеяние фононов 319
— — на фононах 319, 321, 324
— электронов 39
— — межзонное 310
— — на дефектах решетки 39, 245, 247, 314
— —на тепловых колебаниях решетки 40, 54, 81, 89, 261. 263, 274—278, 281, 282, 316
— — примесное 40, 81, 89, 97, 248, 251, 258, 261, 263, 271—274, 277, 281, 282, 394 Рекомбинация 18, 45, 72, 74, 101, 104, 363,378,392,397, 413—421, 426
— безызлучательная 104
—, вероятность 102, 106
— излучательная 104
— квадратичная 414
— линейная 414
— поверхностная 72, 409,424, 426,
— прямая (межзонная) 101, 104. 105
— ударная 106
— через центры 101, 104, 105. 416
— экситона 112
Риги — Ледюка эффект 98, 355—356 Симметрия кристалла 198
— трансляционная 111, 157, 158, 192, 193, 198, 209—211 Скорость дрейфа электронов 37, 38, 69
— теплового движения электронов 37, 39, 40, 78 — — — — средняя 43, 68, 254, 279
Скрещенные электрическое и магнитное поля 334, 335
Слой объемного заряда 63, 71, 383
— — — на контакте металл — полупроводник 64
— — —, толщина 380
Столкновение 248—251
Столкновения, вероятность 219, 246
— межэлектронные, неупругие, упругие, почти упругие 251, 252, 254—258, 268, 269,283, 284, 314—316
Столкновения фононов с дефектами, с фононами 54, 219, 320
— — — —, 2-3-и 4-фононные 320
—, частота 219, 246
— электронов сфононами 54, 251, 253, 254, 258
Тепловое возбуждение электрона 15, 20
— — —, частота следования 15, 18
Теплоемкость решетки 43, 49, 50, 52, 184—189, 317 — фотонная 329
— электронного газа 44, 311
Теплопроводность 244, 256, 270, 271
— решеточная 14, 43, 46— 49, 219, 317—329, 351
— фотонная 311, 329—330
— электронная 43—44, 46, 257,264,311—316, 351, 356
— —, отношение к электропроводности 44, 45
Термомагнитные коэффициенты 257, 270
Термомагнитные явления 83, 85, 98—100, 244, 331, 334, 355—357 Термоэлектрические явления 75, 76, 78, 82, 100,244, 264 292—311,315, 351,422— 423
Томсона коэффициент 77
— соотношения 76—77
— теплота 77
— явление 75, 77, 79
Туннельный диод 165, 280, 286, 364, 396—399
— эффект 11, 59, 62, 66, 193, 285, 363, 368, 373, 392, 396
Увлечение электронов фононами 299—304
Уровень (энергетический) см. энергетический
Уровень Ферми (см. также потенциал химический) 33, 34, 59, 71, 80, 81, 105, 433
— — в невырожденном полупроводнике 82, 229—232, 234
— — в невырожденном полупроводнике, температурная зависимость 35, 36,232, 233
— —, температурная зависимость 35, 36 Фазовая скорость 177, 179, 180, 253
Фазовое пространство 265—267, 328
Ферми — Дирака статистика 199, 431
— интегралы 241, 243, 299
— поверхность 314, 339, 342
— распределение 32—34, 224—226, 328, 417, 431
Фонона энергия 53, 104, 118, 253—255
Фононы 49, 54, 104, 118, 186, 187, 255, 299—303, 317, 318, 324, 405—407 —, групповая скорость 317
Фотовольтаические эффекты 421—426
Фотодиод 425, 426
Фотоионизация 384
Фотоноситель 100, 413, 421
Фотопроводимость 100—103, 108, 409—421
— примесная, собственная 410—412
— стационарная 103
Фоточувствительность 107, 109, 110, 409, 410
Фото-э. д. с. 421
Фотоэффект 100, 109
— вентильный 423—426
—, квантовый выход 423
—, красная граница 410
— примесный 409
—«собственный» 409
Фундаментальное поглощение, см. поглощение Химическая связь 143—147
Холла постоянная 87—91, 347, 349—352
— э. д. с. 90, 341, 349
— эффект 86, 92, 341—352, 356
Холловское поле 87, 90, 91, 346, 351, 354
Центр рекомбинации примесный 101, 105, 110
Цепочка двухатомная 180—182
Циклотронный резонанс 334, 426—430
Шокли — Рида статистика рекомбинации 416—421 Шредингера уравнение 128—134, 190, 274
— — для нестационарных процессов 131—138
— — для электронов в адиабатическом приближении 192
— — — — в одноэлектронном приближении 195
— — невозмущенное 135
Эйнштейна соотношение 69, 174, 370
Экситоны 106, 111,196,407— 409
Экстракция 75
Электрическое поле сильное 278-291, 362
Электронный газ, вырожденное состояние 30—32, 34, 237—239, 256, 262, 406, 407, 435
— —, невырожденное состояние 30, 31, 35, 44, 77, 81, 227, 238, 239, 256, 262, 299 — — невырожденный, статистика (для полупроводников) 226—231 — —, плотность 36
Электронный газ, сохранение теплового равновесия с кристаллом 257
Электрон-фононное взаимодействие 255
Электрохимический потенциал 79, 224, 293 Элементарная ячейка — см. ячейка
Эллипсоид энергии 216
Энергетический уровень захвата 416
— — электрона в кристалле 236
Энергетический спектр электронов в кристалле 10—13, 20, 209, 236, 244, 249
Энергия активации 11, 19, 27, 31, 172, 339, 341, 407
— —оптическая 410, 412,413
— — примесных электронов 22, 35, 120, 166, 233, 287, 368, 373
— — термическая 410, 412, 413
— тепловых колебаний атомов кинетическая средняя 49, 52
— — — — потенциальная средняя 50
— электронов в направленном потоке средняя 40, 80, 81, 293
— — тепловая (кинетическая) средняя 40, 242—243
Эттингсгаузена эффект 91, 92, 349—351
Ячейка (решетки кристаллической) элементарная 111, 152—155, 157, 160, 183