Физические основы полупроводниковой электроники

Развитие полупроводниковой электроники стало возможным благодаря фундаментальным научным достижениям в области квантовой механики, физики твёрдого тела и физики полупроводников.

В основе работы полупроводниковых электронных приборов (ПП) и устройств лежат следующие важнейшие свойства полупроводников и электронные процессы: одновременное существование носителей заряда двух знаков (отрицательных — электронов проводимости и положительных — дырок); сильная зависимость величины и типа электропроводности от концентрации и типа примесных атомов; высокая чувствительность к воздействию света и тепла, чувствительность к действию магнитного поля и механических напряжений; эффект односторонней проводимости при протекании тока через запирающий слой электронно-дырочного перехода (р—n-перехода) или Шотки барьера, нелинейность вольтамперных характеристик таких слоев, введение (инжекция) неосновных носителей, нелинейная ёмкость р—n-перехода; туннельный переход носителей сквозь потенциальный барьер; лавинное размножение носителей в сильных электрических полях; переход носителей из одного минимума энергетической зоны в другой с изменением их эффективной массы и подвижности и др.

Одним из эффектов, наиболее широко используемых в плупроводниковой электронике, является возникновение р—n-перехода на границе областей полупроводника с различными типами проводимости (электронной — в n-области, дырочной — в р-области). Основными свойствами данного явления является сильная зависимость тока от полярности напряжения, приложенного к переходу (ток в одном направлении может в 10⁶ раз и более превышать ток в др. направлении), и способность к инжекции дырок в n-область (или электронов в р-область) при включении напряжения в направлении пропускания тока через р—n-переход. Свойства, близкие к свойствам р—n-перехода, имеет барьер Шотки, обладающий вентильными свойствами (односторонней проводимостью), но не обладающий способностью к инжекции. И р—n-переход, и барьер Шотки обладают электрической ёмкостью, изменяющейся по нелинейному закону с изменением напряжения. При превышении внешним обратным напряжением определённой величины в них развиваются явления пробоя. Сочетание двух р—n-переходов, расположенных близко в одном кристалле полупроводника, даёт транзисторный эффект, который заключается в управлении током запертого перехода с помощью тока отпертого перехода. Три р—n перехода в одном кристалле, разделяющие четыре области попеременно электронной и дырочной проводимости, образуют тиристор. Решающее значение для полупроводниковой электроники имеет транзисторный эффект. Именно на его основе работают ПП приборы основного типа — транзисторы, которые определили коренные изменения в радиоэлектронной аппаратуре и ЭВМ и обеспечили широкое применение систем автоматического управления в технике.

К физическим явлениям, которые в начале 70-х гг. 20 в. стали использовать в полупроводниковой электронике, относится и акустоэлектрический эффект в диэлектрических и полупроводниковых материалах. На основе этого эффекта оказалось возможным создавать усилители электрических колебаний, активные электрические фильтры, линии задержки с усилением сигнала, что привело к появлению нового направления полупроводниковой электроники — акустоэлектроники.

Одна из наиболее общих черт развития полупроводниковой электроники — тенденция к интеграции самых различных физических эффектов в одном кристалле. Полупроводниковая электроника начинает смыкаться с электроникой диэлектрических материалов, магнитных материалов и т.д., превращаясь постепенно в электронику твёрдого тела, в самом широком смысле этого слова.