3686

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлениям подготовки: 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств,

23.03.03– Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов,

09.03.02– Информационные системы и технологии

3

УДК 537.311.322;621.382

Панюшкин Н.Н. Физика полупроводников и полупроводниковые приборы [Электронный ресурс] : Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлениям подготовки: 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств, 23.03.03 – Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов, 09.03.02 – Информационные системы и технологии / Н.Н. Панюшкин, Н.Н. Матвеев ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 18 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебными планами направлений, образцы оформления решения задач и отчета по лабораторной работе.

Методические указания предназначены для студентов по направлениям подготовки: 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств, 23.03.03

– Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, 09.03.02 – Информационные системы и технологии. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 2. Ил. 4. Библиогр.: 6 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: заведующий кафедрой общей физики ВГУ, доктор физ.-мат. наук, профессор Клинских А.Ф.

Ответственный редактор Матвеев Н.Н.

Коллектив авторов, 2016

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2016

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Физика полупроводников и полупроводниковые приборы» изучает фундаментальные законы, лежащие в основе принципов работы полупроводниковой техники. Например, принципы работы современных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и т.д.) базируются на фундаментальных закономерностях физики полупроводников. Поэтому освоение этой дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического, технологического и экономического профиля.

Необходимо заметить, что модели физики полупроводников устанавливают связь между характеристиками полупроводниковых приборов и особенностями микроструктуры материалов, из которых они изготовлены. Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)оформление отчетов по результатам экспериментальных исследова-

ний;

3)выполнение индивидуальных заданий;

4)самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;

5)подготовка к коллоквиумам и зачету.

Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для студентов по направлениям подготовки: 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств, 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, 09.03.02 – Информационные системы и технологии. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Физика полупроводников и полупроводниковые приборы» является формирование у студентов знаний и умений оценивать влияние условий эксплуатации, свойств полупроводников и полупроводниковых конструкций на характеристики полупроводниковых приборов.

Воснову курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов, лежащих в основе принципов работы полупроводниковых приборов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

-изучение основных законов зонной теории кристаллов, физики полупроводников и принципов работы полупроводниковых приборов;

-формирование у бакалавров представления о физических процессах и основных закономерностях кинетики носителей зарядов в полупроводниках;

-формирование навыков проведения вычислительного эксперимента и основ грамотного научного анализа и синтеза современной научной информации;

-освоение основных принципов вербального моделирования надежности технических объектов и сложных систем.

Врезультате освоения дисциплины бакалавр или магистрант должен:

знать:

-физические основы процессов, стимулированных в полупроводниках изменением их структуры или вызванные внешним воздействием, основные закономерности зонной модели, элементы квантовой механики;

уметь:

-осуществлять поиск основных параметров диодов и транзисторов по аббре-

виатуре с помощью специальной справочной литературы;

-определять параметры полупроводниковых приборов по экспериментально полученной ВАХ;

-оценивать влияние окружающей среды на надежность и характеристики ИС;

владеть следующими навыками:

-использования основных моделей физики полупроводников для оценки влияния внешних условий на эффективность полупроводниковых приборов;

-применения основных методов физико-математического анализа для оценки влияния внешних воздействий на надежность электронных схем;

-обработки и грамотного анализа результатов эксперимента, в том числе и вычислительного.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Свойства металлов, диэлектриков, полупроводников. Этапы развития физики полупроводников.

7

Раздел 1. Элементы квантовой механики

1.1Соотношения Гейзенберга. Корпускулярно-волновой дуализм. Волна де Бройля и функция Дирака.

1.2Уравнение Шредингера общий случай. Уравнение Шредингера для стационарного состояния.

1.3Свободный электрон, электрон в потенциальной яме, потенциальные барьеры.

1.4Квантовый осциллятор.

1.5Квантовая модель атома водорода. Основные операторы. Квантовые числа и правила перехода.

1.6Потоки частиц. Элементы физики потоков и их взаимодействие с веществом.

1.7Законы фотоэффекта и гипотеза Планка в квантовой механике. Распределение Ферми-Дирака. Распределение Бозе-Эйнштейна. Теория теплоемкости твердых тел. Фононы. Взаимодействие фононов с электронами.

Раздел 2. Квантовые системы

2.1Квантовая точка, нить, 1-D-структура, 2D-структура. Состояния электрона в квантовых структурах.

2.2Кристаллы. Трансляционная симметрия. Ковалентная связь.

2.3Физическая модель: кристалл, как идеальная 1-D-структура структура, полученная трансляцией элементарной ячейки (решетка Браве).

Раздел 3. Физика полупроводников

3.1Кристалл, как цепочка потенциальных ям. Электрон в линейной цепочке потенциальных ям.

3.2Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории.

3.3Число возможных состояний для электрона в кристалле с энергией

E>Ec.

3.4Концентрация электронов в зависимости от уровня энергии. Уровень Ферми.

3.5Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла собственного полупроводника.

3.6Доноры и акцепторы. Дефекты в кристаллах. Примесные уровни.

3.7Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла примесного полупроводника.

3.8Генерация. Рекомбинация. Термодинамическое равновесие.

3.9Основные носители. Электрическая нейтральность и концентрация основных носителей.

3.10Неосновные носители. Инжекция. Экстракция. Время жизни неосновных носителей.

3.11Прямая рекомбинация. Уровни инжекции.

8

3.12 Дрейфовый ток в полупроводниках. Проводимость полупроводни-

ков.

3.13Диффузия носителей заряда в полупроводниках. Длина свободного пробега электрона в полупроводниках.

3.14Подвижность зарядов. Соотношение Эйнштейна. Пространственный заряд. Физические основы промышленной электроники.

Раздел 4. Физика p-n-перехода

4.1Современные способы получения p-n-перехода. Виды p-n-перехода. Потенциальный барьер. Термодинамическое равновесие p-n-перехода.

4.2Разность потенциалов и диффузионный поток через p-n-переход. Гипотеза обеднения.

4.3Модель Эмберса-Мола. ВАХ p-n-перехода. Выпрямительные дио-

ды.

4.4Обратный ток. Ёмкость p-n-перехода.

4.5Эффект Ганна. Тунельный эффект.

4.6Эффект Зеемана и Пельтье. Твердотельные термоэлектрические преобразователи.

4.7Внутренний и вентильный фотоэффект в p-n-переходе.

Раздел 5. Физика полупроводниковых приборов

5.1Классификация полупроводниковых диодов. Способы получения и типы полупроводниковых диодов.

5.2Входные и выходные характеристики выпрямительных диодов. Обратный ток. Температурная зависимость обратного тока. Искажения сигнала.

5.3Время задержки. Основные параметры выпрямительных диодов.

5.4Специальные диоды и характеристики области p-n-перехода. Варикапы.

5.5Оптические свойства полупроводников. Светодиоды и фотодиоды.

5.6Эффект Гана и туннельный эффект. Диоды сверх высокой частоты.

5.7Обратный ток и стабилитроны.

5.8Структура биполярного транзистора. Распределения носителей заряда в биполярном транзисторе.

5.9Динамика перераспределения заряда в транзисторе в схеме с общей базой. Транзистор с точки зрения зонной теории.

5.10Эквивалентная схема биполярного транзистора. Схемы включения биполярного транзистора.

5.11Входная и выходная характеристики биполярного транзистора. Системы параметров биполярного транзистора.

5.12Динамический режим работы транзистора. Нагрузочная прямая и рабочая точка.

5.13Режим отсечки и насыщения. Ключевой режим работы биполярного транзистора.

5.14Выходной ток и температурная нестабильность биполярного транзистора. Преимущества и недостатки биполярного транзистора.

9

5.15Контактная разность потенциалов. Динамика движения электронов во внешнем поле. Температурная зависимость тока через контакт.

5.16Диоды Шоттки и их характеристики.

5.17Условия вырожденности полупроводников. Гетеропереходы и состояния электрона в сложных полупроводниковых структурах.

5.18Структура полевого транзистора. Моделирование и стоковая характеристика. Истоковая и стоковая характеристики униполярного транзистора. Основные параметры полевого транзистора.

Раздел 6. Интегральные схемы (ИС)

6.1Классификация интегральных схем. ГИС и микросхемы. Аналоговые элементы микросхем.

6.2Входные и выходные характеристики микросхем.

6.3Статические и динамические характеристики микросхем.

6.4Булева алгебра. Цифровые ИС. Особенности работы цифровых ИС.

6.5Примеры простейших ИС. Эквивалентная схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Эквивалентная схема ЦАП.

6.6Основные характеристики АЦП и ЦАП.

6.7Надежность. Вербальные параметры надежности производителя и потребителя электронной продукции. Статистическая система отбраковки.

6.8Вероятностная модель надежности микросхем. Интенсивность отказов ИС. Зависимость интенсивности отказов от времени работы электронной продукции.

6.9Время надежной работы ИС. Статистические методы оценки надежности ИС. Физика отказов диодов и транзисторов.

6.10Плазменные области и износостойкость аналоговой базы ИС.

6.11Налаженность технологического процесса и температурный коэффициент перехода. Условия эксплуатации и сложность ИС.

6.12Методы оценки интенсивности отказов ИС, основанные на знаниях о физических причинах отказов.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Методические указания студентам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по подготовке к лабораторным занятиям;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к зачету.

10

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой конспект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ НА ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ

Выполнение лабораторного практикума формирует у студентов важные компетенции по навыкам проведения стандартных испытаний в области тестирования полупроводниковых приборов, оформления отчета, анализа полученных результатов и формулировке вывода по проделанной работе, что является фундаментом для научно-исследовательской деятельности будущего профессионала. Необходимо заметить, что часть лабораторных работ проводится методом вычислительного эксперимента.

В процессе подготовки к выполнению лабораторной работы студент прежде всего овладевает способами постановки цели и выбора путей ее достижения. Для этого надо переписать из методического пособия по лабора-