4376

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

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

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ

Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению

подготовки 09.04.02 Информационные системы и технологии

ВОРОНЕЖ 2016

3

УДК 620.3 (063) Ф50

Евсикова Н.Ю. Физические основы наноинженерии [Электронный ресурс] : Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 09.04.02 Информационные системы и технологии/ Н.С. Камалова, В.И. Лисицын, Н.Ю. Евсикова, Н.Н. Матвеев ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 36 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 результатам экспериментальных исследований.

Методические указания предназначены для студентов по направлению подготовки 09.04.02 Информационные системы и технологии. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 7. Ил. 4. Библиогр.: 6 наим.

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

Рецензент: доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры математического и прикладного анализа факультета прикладной математики, информатики и механики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» Тимошенко Ю.К.

Ответственный редактор Камалова Н.С.

Коллектив авторов, 2016

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

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Физические основы наноинженерии» изучает фундаментальные законы, лежащие в основе нанотехнологий, которые активно используются в современной технике. Например, нанотохнологии применяются при создании материалов с заданными свойствами (пластики, пленочные покрытия особой прочности, покрытия с антикоррозионными свойствами), автохимии, цифровых систем, используемых в средствах контроля во всех областях экономики. Поэтому освоение данной дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического, технологического и экономического профиля.

Необходимо заметить, что теоретические законы физических основ наноинженерии устанавливают связь между атомарной структурой материалов и свойствами изделий из них, отражая физическую сущность нанотехнологий. 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 и расчетных 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 направлению подготовки 09.04.02 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 «Физические основы наноинженерии» является формирование у студентов знаний и умений по проведению анализа характеристик продуктов нанотехнологий, их основных элементов и свойств материалов из которых их можно изготовить.

В основу 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 у бакалавров 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.

В результате освоения дисциплины бакалавр 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 к решению задач при внедрении новейших современных технологий;

владеть следующими навыками:

7

–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;

–обработки и интерпретирования результатов численного эксперимен-

та.

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 стационарное 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 зависимо-

8

сти от уровня энергии. Уровень Ферми. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла собственного полупроводника.

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

2.7Основные носители. Электрическая нейтральность и концентрация основных носителей.

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.

9

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.

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

Раздел 5. Интегральные схемы (ИС)

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

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

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

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

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

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

5.7Условия эксплуатации и сложность ИС. Методы 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 практическим занятиям;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по подготовке к экспериментальным исследованиям;

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 СТУДЕНТАМ ПО ПОДГОТОВКЕ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

Важной составной частью изучения дисциплины «Физические основы наноинженерии» являются практические занятия, в ходе которых теоретический материал, изученный на лекциях, закрепляется путем анализа результатов экспериментальных исследований и решения расчетных и качественных задач различного уровня сложности. Подготовка к практическому занятию делится два этапа:

1)организационный;

2)закрепление и углубление теоретических знаний.

На первом этапе студент планирует свою самостоятельную работу, которая включает:

1)уяснение задания на самостоятельную работу;

2)подбор рекомендованной литературы;