Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Воронежская государственная лесотехническая академия

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

4035

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.01.2021

Размер:

757.38 Кб

Скачать

☆

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

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

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки

09.03.02 – Информационные системы и технологии

Воронеж 2018

УДК 621.382

Зольников, В.К. Основные понятия микроэлектроники [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 09.03.02 – Информационные системы и технологии / В.К. Зольников, С.А. Евдокимова, Т.В. Скворцова; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова». – Воронеж, 2018. – 19 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № ___ от «___» ___________ 2017 г. )

Рецензент: начальник лаборатории АО «НИИЭТ» к.т.н. А. И. Яньков

3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .........................................................................................................	4
Цели, задачи и условия реализации СРС .........................................................	5
1. Электрические свойства твердых тел ...........................................................	6
1.1 Основные справочные формулы .................. ..........................................	6
1.2. Примеры решения задач............................... ..........................................	8
1.3. Задание ........................................................... ........................................	11
2 Свойства p-n перехода...................................................................................	15
2.1 Основные справочные формулы .................. ........................................	15
2.2. Примеры решения задач............................... ........................................	17
2.3 Задание ............................................................ ........................................	19

Практические советы по выполнению самостоятельной работы студентов

................................................................................................................................. 22

Библиографический список .............................................................................

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях изменения, происходящие в высшей школе, предполагают разработку концепции характера самого образования. Новая образовательная парадигма рассматривает в качестве приоритета интересы личности, адекватные современным тенденциям общественного развития. Если прежние концепции были рассчитаны на такие символы обучения, как знания, умения, общественное воспитание, то символами нового взгляда на образование становятся компетентность, эрудиция, индивидуальное творчество, самостоятельный поиск знаний и потребность их совершенствования, высокая культура личности.

Формирование внутренней потребности к самообучению становится и требованием времени, и условием реализации личностного потенциала. Способность человека состояться на уровне, адекватном его претензиям на высокое положение в обществе, всецело зависит от его индивидуальной вовлеченности в самостоятельный процесс освоения новых знаний. Поэтому одной из целей профессиональной подготовки специалиста является необходимость дать студенту прочные фундаментальные знания, на основе которых он смог бы обучаться самостоятельно в нужном ему направлении.

Решение задач современного образования невозможно без повышения роли самостоятельной работы студентов над учебным материалом, усиления ответственности преподавателей за развитие навыков самостоятельной работы, за стимулирование профессионального роста студентов, воспитание их творческой активности и инициативы.

Методологическую основу самостоятельной работы студентов составляет деятельностный подход, который состоит в том, что цели обучения ориентированы на формирование умений решать типовые и нетиповые задачи, т. е. на реальные ситуации, где студентам надо проявить знание конкретной дисциплины.

Ввиду наличия вариантов определения самостоятельной работы в педагогической литературе, мы будем придерживаться следующей формулировки: самостоятельная работа студентов (далее СРС) – это планируемая работа студентов, выполняемая по заданию и при методическом руководстве преподавателя, но без его непосредственного участия.

Технология организации СРС должна быть поэтапной и обоснованной. Для эффективного осуществления этого вида деятельности необходимы готовность профессорско-преподавательского состава, качественная учебнометодическая и соответствующая нормативно-правовая база.

Под готовностью профессорско-преподавательского состава следует понимать способность преподавателей выделять наиболее важные и посильные для СРС темы дисциплины (курса); стимулировать внутренние механизмы саморазвития личности, самоконтроля и самокоррекции. При этом преподаватели должны обладать организаторскими, прогностическими и конструктивными умениями.

Конкретные разделяя дисциплины и компетенции указаны в рабочих программах

Цели, задачи и условия реализации СРС

Основной целью самостоятельной работы студентов является улучшение профессиональной подготовки специалистов высшей квалификации, направленное на формирование действенной системы фундаментальных и профессиональных знаний, умений и навыков, которые они могли бы свободно и самостоятельно применять в практической деятельности.

Таким образом, речь идет о подготовке специалистов завтрашнего дня, конкурентоспособных в мировом масштабе, умеющих творчески, оперативно решать нестандартные производственные, научные, учебные задачи с максимально значимым эффектом, как для себя, так и в целом для общества.

Входе организации самостоятельной работы студентов преподавателем решаются следующие задачи:

углублять и расширять их профессиональные знания;

формировать у них интерес к учебно-познавательной деятельности;

научить студентов овладевать приемами процесса познания;

развивать у них самостоятельность, активность, ответственность;

развивать познавательные способности будущих специалистов.

Входе постановки целей и задач необходимо учитывать, что их выполнение направлено не только на формирование общеучебных умений и навыков, но и определяется рамками данной предметной области.

Всовременной литературе выделяют два уровня самостоятельной работы: управляемая преподавателем самостоятельная работа студентов и собственно самостоятельная работа.

Именно первый уровень наиболее значим, т.к. он предполагает наличие специальных методических указаний преподавателя, следуя которым студент приобретает и совершенствует знания, умения и навыки, накапливает опыт практической деятельности.

Основная задача организации СРС заключается в создании психологодидактических условий развития интеллектуальной инициативы и мышления на занятиях любой формы. Основным принципом организации СРС должен стать перевод всех студентов на индивидуальную работу с переходом от формального пассивного выполнения определенных заданий к познавательной активности с формированием собственного мнения при решении поставленных проблемных вопросов и задач. Таким образом, в результате самостоятельной работы студент должен научиться осмысленно и самостоятельно работать сначала с учебным материалом, затем с научной информацией, использовать основы самоорганизации и самовоспитания с тем, чтобы развивать в дальнейшем умение непрерывно повышать свою квалификацию.

Решающая роль в организации СРС принадлежит преподавателю, который должен работать не со студентом «вообще», а с конкретной

личностью, с ее сильными и слабыми сторонами, индивидуальными способностями и наклонностями. Задача преподавателя – увидеть и развить лучшие качества студента как будущего специалиста высокой квалификации.

1.Электрические свойства твердых тел

1.1Основные справочные формулы

●Закон Ома в дифференциальной форме имеет вид:

j=ζE,

где j – плотность тока;

Е – напряженность электрического поля; ζ – удельная электропроводность материала. В свою очередь можно записать:

1 en ,

где ρ – удельное сопротивление материала; n – концентрация носителей заряда;

μ – подвижность носителей заряда.

(1)

(2)

● Вероятность состояния электронов подчиняется функции Ферми-Дирака:

f (Е)		1		,

		Е ЕF
			1
	exp

		kT

● Распределение Ферми по энергиям для свободных электронов в металле: при Т > 0

	1	2m 32		Е 12 dЕ	;
dn(Е)
dn(Е)	2 2	2		Е ЕF
	2 2	2		Е ЕF	1
			exp
			exp
				kT

(3)

(4)

при Т = 0

dn(Е)	1	2m	3	2	1	2 dЕ ,	(5)
	1	2m		Е
				Е

	2 2	2

где +(E) – концентрация электронов, энергия которых заключена в интервале

E, E+dE;

EF – уровень Ферми.

● Для концентрации электронов в зоне проводимости можно получить выражение:

	8	2 m 32						2
n					ЕF	(0)	1				... ,
				2						2
			h					8(ЕF	/ кТ )
3

где EF(0) – уровень Ферми при Т = 0.

Из последнего выражения можно получить:

						кТ	,
Е	F	Е	F	(0) 1
Е		Е		(0) 1
					12	ЕF (0)
					12	ЕF (0)

(6)

(7)

где			3п 2 3	h2	,	(8)
	ЕF	(0)
				2m
			8

EF – максимальный заполненный энергетический уровень в металле при Т =0. Средняя тепловая энергия электронов в металле:

Е		2		кТ 2		.		(9)
Е	ср.т.	2			ЕF	.		(9)
	ср.т.		4
			4
Температура вырождения имеет вид:
		Т			2 2		n 2 3 .	(10)
		Т	кр		кm		n 2 3 .	(10)
					кm

В собственном полупроводнике концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне равны:

								n Nc exp ЕF Ес / кТ ,	(11)
где		2 m kT					32	– эффективная плотность состояний в зоне проводимости;
	Nc	2
	Nc	2			2
			h
Ес – дно зоны проводимости;
								p Nv exp Еv ЕF / кТ ,	(12)
									(12)
где		2 mkT				32		– эффективная плотность состояний в валентной зоне;
	Nv	2
	Nv	2		2
			h

Еν – потолок валентной зоны.

С учетом электронейтральности для концентрации носителей в собственном полупроводнике можно получить следующее выражение:

n p n					Eg		(13)
	N	N		exp		,
			v

i	c
					2кТ

где Еg Еc Ev – ширина запрещенной зоны.

● Уровень Ферми в собственном полупроводнике имеет следующее значение:

	E E	3		m*p
ЕF	с v		kT ln		. .	(14)
	2	4		*
				m
				n

В примесных полупроводниках концентрация носителей заряда в разных температурных диапазонах описывается различными формулами. Для рабочего температурного диапазона они имеют вид:

пп

exp Eд /(2kT ) ,

(15)

Nд Nс / 2

exp Ea /(2kT ) ,

Na Nv / 2

где Nд, Na – концентрации донорной и акцепторной примеси;

Еg , Еa – энергия ионизации донорной или акцепторной примеси.

Eс Eg

кТ

;

фп

N v

(16)

Eа Ev

кТ

N c

фр

N д

(17)

Существует связь между концентрацией основных и неосновных носителей:

nn pp ni 2 .

● Постоянная Холла Rн в некоторых по формуле:

Rн 1 Uн d ,

еп IB

где I – ток через образец; d – толщина образца;

п – концентрация носителей заряда; В – индукция магнитного поля.

(18)

случаях может быть найдена

(19)

● Уравнение непрерывности описывает скорость изменения концентрации носителей в полупроводнике. Для одномерного случая можно записать:

n	D	2n	E	n	g	n		,
t				n x
	n x2		x				n	(20)

где Dn – коэффициент диффузии; g – скорость генерации;

n – избыточная концентрация электронов; ηn – время жизни электронов.

Аналогичное выражение можно записать для дырок. Выражение (20) описывает общий случай, когда действуют диффузионный и дрейфовый токи, процессы генерации и рекомбинации. При уменьшении числа факторов уравнение упрощается.

● Прохождение тока через тонкие пленки основано на различных механизмах. Токи надбарьерной инжекции

2		1	e3U 1/ 2		,
j=AT	exp(-θ0/kT)· exp				,

	kT			0d

где θ0 – высота потенциального барьера.

Если токи, ограничены пространственным зарядом, то

I ≈ 9/8 εε0μnSU2/d3

где S – площадь контакта; d – толщина контакта;

U – разность потенциалов.

(21)

(22)

1.2. Примеры решения задач Пример 1. Определить температуру, при которой в проводнике вероятность

найти электрон с энергией 0,5 эВ над уровнем Ферми равна 2%.

Решение: Система подчиняется распределению Ферми-Дирака (3). В это выражение подставляем исходные данные:

0, 02		1				.

		0,5 1,9 10 19
		0,5 1,9 10 19			1
	exp
	exp	1,32 10	23	T
		1,32 10		T

Проведя необходимые вычисления, получим:

Т = 1490 К.

Пример 2. Плотность металла γ=8,9·103 кг/м3, молярная масса М = 63,5 , валентность – 1. Найти концентрацию электронного газа и энергию Ферми (Т

= 0).

Решение: Определим концентрацию носителей заряда:

п NVa NMa .

Энергию Ферми найдем из соотношения (8):

		2			2		2	3		2
E (0) 3п		2	3	h		3M			h

										.

F
F				2m					2m
	8			2m		8 Na			2m

Подставляя необходимые данные и проведя расчеты, получим искомые результаты:

п 8,44 1028 м3 ,

EF 1,13 1018 Дж 7,06 эВ.

Пример 3. Определить концентрацию носителей заряда в чистом германии при Т = 300 К. На сколько градусов нужно повысить температуру от начальной (300 К), чтобы число электронов проводимости в германии увеличилось в двое.

Решение: Используя выражение для концентрации носителей (11), найдем отношение концентраций электронов:

п	Т	2	32			1	1
2				exp Eg	/(2k)			.

п1	Т1				T1		T2

Учитывая, что степенная функция температуры значительно слабее экспоненциальной, можно записать:

		1	1
exp Eg	/(2k)			2.
exp Eg	/(2k)			2.
	T1		T2

Подставляя исходные данные и проведя необходимые вычисления, получим:

Т2=317 К.

То есть необходимо увеличить температуру на 17 К.

Пример 4. Определить положение уровня Ферми в германии п-типа при Т = 300 К, если на 2·106 атомов германия приходится один атом примеси. Концентрация атомов в германии равна 4,4·1028 м-3. Предэкспоненциальный

множитель G 4,83 1021 м 3 К 32 , Еg 0,72эВ , Еg 0,01 эВ .

Решение: Концентрация свободных электронов определяется из условий:

nn NGe / Nпр .

где Nпр – концентрация примеси.

Для величины концентрации основных носителей справедливо известное соотношение:

nп Nc exp EF Eс / кТ GT 32 exp EF Eс / кТ .

Можно записать выражение:

NGe / Nпр GT 32 exp EF Eс / кТ .

После логарифмирования равенства получим:

N	пр	GT 32
кТ ln			E		E		.
						F
	NGe			с

Подставляя исходные данные и проведя необходимые вычисления, получим:

Eс EF 0,18 эВ ,

следовательно, уровень Ферми находится на 0,18 эВ ниже дна зоны проводимости.

Пример 5. Найти положение уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны при Т = 300 К для кристалла германия, содержащего 5·1016 см-3 атомов мышьяка.

Решение: Воспользуемся формулой, полученной в примере 4.

					N	с
E		E		кТ ln		с	.
E	с	E	F	кТ ln			.
	с		F
					пп

Считаем, что nn Nд т.е. все примесные атомы однократно ионизированы.

					N	с
E		E		кТ ln		с	.
E	с	E	F	кТ ln			.
	с		F		N
					N	д

Подставляя исходные данные и проведя необходимые вычисления, получим:

Eс EF 0,16 эВ.

Поскольку ширина запретной зоны германия 0,66 эВ, то уровень Ферми находится на 0,17 эВ выше середины запрещенной зоны.

Пример 6. Удельное сопротивление собственного германия при Т=300К составляет 0,43 Ом·м Подвижности электронов и дырок равны соответственно 0,39 и 0,19 м2 /(В·с). Определите собственную концентрацию электронов и дырок.

Решение: Удельная проводимость полупроводника ζ определяется из уравнения

ζ =1/ρ=nie(μp+μn).

Отсюда

	1				19	−3
ni				= 2,5·10		м .
	0,43 1,610 19	(0,39
			0,19)

Пример 7. Образец германия легирован примесью атомов сурьмы так, что 1 атом примеси приходится на 2·106 атомов германия (N). Предполагается, что все атомы примеси ионизированы при 300 К и концентрация атомов германия NGe= 4,4·1028 м−3. Определить концентрацию электронов, дырок,

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
08.01.2021756.39 Кб24030.pdf
#
08.01.2021756.39 Кб24031.pdf
#
08.01.2021756.44 Кб24032.pdf
#
08.01.2021756.62 Кб14033.pdf
#
08.01.2021757.3 Кб14034.pdf
#
08.01.2021757.38 Кб114035.pdf
#
08.01.2021757.76 Кб14036.pdf
#
08.01.2021757.76 Кб04037.pdf
#
08.01.2021758.89 Кб34038.pdf
#
08.01.2021759.12 Кб64039.pdf
#
08.01.2021194.96 Кб1404.pdf