4214

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

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

Основы современной наноинженерии

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия

направленность – Физика конденсированного состояния

ВОРОНЕЖ 2020

2

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

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

Н.С. Камалова, В.И. Лисицын, Н.Ю. Евсикова, Н.Н. Матвеев

Основы современной наноинженерии

Методические указания для самостоятельной работы аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия направленность – Физика конденсированного состояния

ВОРОНЕЖ 2020

3

УДК 620.3 (063) Ф50

Камалова Н.С. Основы современной наноинженерии [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния / Н.С. Камалова, В.И. Лисицын, Н.Ю. Евсикова, Н.Н. Матвеев; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2020. – 24 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводится содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы аспирантов по всем видам работ, предусмотренных учебным планом.

Методические указания предназначены для аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке аспирантами всех форм обучения, в том числе при дистанционном обучении.

Табл. 7. Ил. 4. Библиогр.: 5 наим.

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

Рецензент: кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры математики и физики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I» Гриднева И.В.

Ответственный: редактор Камалова Н.С.

Коллектив авторов, 2020

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2020

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Основы современной наноинженерии» является комплексной дисциплиной, систематизирующей достижения фундаментальных и прикладных наук в области нанотехнологий. Применяется для решения задач в различных областях экономики, например, при создании материалов с заданными свойствами (композиционные материалы, пленочные покрытия особой прочности, пироэлектрики), при создании ИС минимальных размеров, используемых в средствах контроля во всех областях экономики. Поэтому освоение данной дисциплины необходимо профессионалам в области физики конденсированного состояния.

Необходимо заметить, что теоретические базовые фундаментальные концепции основ наноинженерии устанавливают связь между атомарной структурой материалов и свойствами изделий из них, отражая физическую сущность нанотехнологий. Одной из форм обучения аспиранта является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)подготовка к дискуссии по вопросам;

3)выполнение индивидуальных и расчетных заданий;

4)самостоятельная подготовка доклада на конференции о применении наноинженерии в исследуемой области;

5)подготовка к зачету.

Основная цель данных методических указаний – помочь аспирантам 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 аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия, направленность – Физика конденсированного состояния. Они могут быть использованы при самоподготовке аспирантами всех форм обучения, в том числе при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Основы современной наноинженерии» является формирование у аспирантов знаний и умений по проведению анализа характеристик и основных элементов продуктов нанотехнологий и свойств материалов, из которых их можно изготовить.

Воснову курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов, лежащих в основе современных технологий.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

– изучение основных законов квантовой механики и зонной теории кристаллов;

– формирование представления о физических свойствах материалов, используемых для развития и внедрения современных технологий;

– овладение фундаментальными теориями физики полупроводников и полупроводниковых приборов;

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

– освоение основных принципов описательного моделирования надежности технических объектов и сложных систем.

Врезультате освоения дисциплины аспирант должен:

знать

–физические основы новейших современных технологий, основные закономерности зонной модели, основные характеристики элементарных квантовых структур;

уметь

–осуществлять поиск параметров диодов и транзисторов по аббревиатуре с помощью специальной справочной литературы;

–определять параметры полупроводниковых приборов по экспериментально полученной ВАХ;

–оценивать влияние окружающей среды на надежность и характеристики ИС;

–использовать методы адекватного физического и математического моделирования для решения задач при внедрении новейших современных технологий;

владеть следующими навыками:

–использования основных принципов квантовой механики при оценке возможности применения квантовых структур для успешного внедрения и корректировки новейших современных технологий;

–применения основных методов физико-математического анализа при оценке влияния внешних воздействий на надежность электронных схем;

7

– обработки и интерпретации результатов численного эксперимента.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Предмет и задачи наноинженерии. Микро и нанотехнологии. Этапы развития промышленной электроники. Открытие электрона. Современные достижения нанотехнологий.

Раздел 1. Элементы квантовой механики

1.1Соотношения Гейзенберга. Корпускулярно-волновой дуализм.

1.2Волна де Бройля и функция Дирака. Уравнение Шредингера, общий случай и стационарные состояния.

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

1.4Квантовая модель атома водорода. Основные операторы. Квантовые числа и правила перехода.

1.5Потоки частиц. Элементы физики потоков и их взаимодействие с веществом.

1.6Элементарные частицы и способы их регистрации. Элементы физики элементарных частиц. Радиоактивность и ее законы.

1.7Законы фотоэффекта и гипотеза Планка в квантовой механике.

1.8Распределение 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. Состояния электрона в квантовых структурах. Наноструктуры в современных нанотехнологиях.

2.2Кристаллы. Трансляционная симметрия. Ковалентная связь. Физическая модель: кристалл, как идеальная 1-D-структура структура, полученная трансляцией элементарной ячейки (решетка Браве).

2.3Кристалл, как цепочка потенциальных ям. Электрон в линейной цепочке потенциальных ям. Энергетические зоны в кристаллах.

2.4Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории. Число возможных состояний для электрона в кристалле с энергией

E > Ec.

2.5Дефекты в кристаллах. Доноры и акцепторы. Примесные уровни. Распределение Ферми-Дирака и Больцмана для числа электронов в зависимости от уровня энергии. Уровень Ферми. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла собственного полупроводника.

2.6Примесные полупроводники. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла примесного полупроводника. Генерация. Рекомбинация. Термодинамическое равновесие.

2.7Основные носители. Электрическая нейтральность и концентрация основных носителей.

8

2.8Неосновные носители. Инжекция. Экстракция. Время жизни неосновных носителей. Прямая рекомбинация. Уровни инжекции. Способы инжектирования неосновных носителей.

2.9Дрейфовый ток в полупроводниках. Проводимость полупроводников. Диффузия носителей заряда в полупроводниках.

2.10Длина свободного пробега электрона в полупроводниках. Подвижность зарядов. Соотношение Эйнштейна. Пространственный заряд. Физические основы промышленной электроники.

Раздел 3. Физика p-n перехода

3.1Современные способы получения p-n перехода. Процессы при образовании p-n перехода. Виды p-n перехода.

3.2Потенциальный барьер. Термодинамическое равновесие p-n перехода. Разность потенциалов и диффузионный поток через p-n переход.

3.3Гипотеза обеднения. Модель Эмберса-Мола. ВАХ p-n перехода.

3.4Выпрямительные диоды. Обратный ток. Ёмкость p-n перехода.

3.5Эффект Ганна. Тунельный эффект. Эффект Зеемана и Пельтье. Твердотельные термоэлектрические преобразователи.

3.6Классификация полупроводниковых диодов. Способы получения и типы полупроводниковых диодов.

3.7Входные и выходные характеристики выпрямительных диодов. Обратный ток. Температурная зависимость обратного тока. Искажения сигнала. Время задержки. Основные параметры выпрямительных диодов.

3.8Специальные диоды и характеристики области p-n перехода. Варикапы. Оптические свойства полупроводников. Светодиоды и фотодиоды. Эффект Гана

итуннельный эффект. Диоды сверхвысокой частоты. Обратный ток и стабилитроны.

Раздел 4. Биполярный и полевой транзистор

4.1Структура биполярного транзистора. Распределения носителей заряда в биполярном транзисторе. Динамика перераспределения заряда в транзисторе в схеме с общей базой.

4.2Транзистор с точки зрения зонной теории. Эквивалентная схема биполярного транзистора. Схемы включения биполярного транзистора. Входная и выходная характеристики биполярного транзистора. Системы параметров биполярного транзистора.

4.3Динамический режим работы транзистора. Нагрузочная прямая и рабочая точка. Режим отсечки и насыщения. Ключевой режим работы биполярного транзистора.

4.4Выходной ток и температурная нестабильность биполярного транзистора. Контактная разность потенциалов.

4.5Динамика движения электронов во внешнем поле. Температурная зависимость тока через контакт. Обратный ток. Преимущества и недостатки. Диоды Шоттки и их характеристики.

4.6Условия вырожденности полупроводников. Гетеропереходы и состояния электрона в сложных полупроводниковых структурах.

9

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

Раздел 5. Интегральные схемы (ИС)

5.1 Классификация интегральных схем. ГИС и микросхемы. Аналоговые элементы микросхем. Входные и выходные характеристики микросхем. Статические и динамические характеристики микросхем.

5.2 Булева алгебра. Цифровые ИС. Особенности работы цифровых ИС. Примеры простейших ИС.

5.3 Эквивалентная схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Эквивалентная схема ЦАП. Основные характеристики АЦП и ЦАП.

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

5.5 Вероятностная модель надежности микросхем. Интенсивность отказов ИС. Зависимость интенсивности отказов от времени работы электронной продукции. Время надежной работы ИС. Статистические методы оценки надежности ИС.

5.6 Физика отказов диодов и транзисторов. Плазменные области и износостойкость аналоговой базы ИС. Налаженность технологического процесса и температурный коэффициент перехода.

5.7 Условия эксплуатации и сложность ИС. Методы оценки интенсивности отказов ИС, основанные на знаниях о физических причинах отказов.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСПИРАНТОВ

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

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к зачету.

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

10

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.

Темы лекций