Лекция 1

Введение

Использование полупроводников в электронике прошло длительный путь – от первого детектора на кристалле сернистого свинца и до современных микро – ЭВМ. Такой результат достигнут благодаря успехам технологии, которая, в свою очередь, опирается на физическую электронику. В наши дни развитие микро- и наноэлектроники непрерывно стимулируется успехами в области физики полупроводников и в области технологии производства новых полупроводниковых структур.

По самому смыслу слов физической электроникой называют науку, которая занимается изучением и использованием потоков движущихся электронов, порождающих электрический ток. Или, так принято называть науку, изучающую электронные свойства некоторых твердых тел, а также методы получения материалов с такими характеристиками, которые позволяют создавать устройства для передачи и накопления электронов. При этом рассматриваются не любые материалы, а лишь полупроводники, характеристики которых интересны с точки зрения технических приложений.

Цели

Дисциплина «Физические основы электроники» относится к группе естественно-научных дисциплин и ее целью является изучение физики электрических явлений в твердых телах. Особое внимание уделяется основам зонной теории твердых тел, физическим механизмам и математическому описанию основных (электрических, тепловых, оптических и магнитных) свойств равновесных, неравновесных полупроводников, особенностям контактов различных веществ, поверхностным состояниям твердых тел. Рассматриваются различные физические эффекты, а также их применение в различных приборах и элементах.

Формируемые компетенции

В результате изучения дисциплины студенты должны

• Знать:

1. основы теории твердых тел,

2. физические механизмы и математические описания основных (электрических, тепловых, оптических, магнитных) свойств равновесных полупроводников,

3. физические механизмы и математические описания основных (электрических, тепловых, оптических, магнитных) свойств неравновесных полупроводников,

4. физические механизмы и математические описания основных свойств контактов различных веществ,

5. физические механизмы и математические описания поверхностных состояний твердых тел.

• Уметь:

1. экспериментально исследовать свойства полупроводниковых материалов и структур,

2. использовать основные приемы обработки экспериментальных данных,

3. осуществлять информационный поиск по свойствам и использованию различных физических эффектов в электронике,

4. решать задачи по оценке параметров физических процессов и свойств твердых тел,

5. использовать математические методы в технических приложениях.

• Владеть:

1. навыками работы с электронными приборами и аппаратурой, используемой для исследования характеристик и измерения параметров приборов,

2. методами расчета основных параметров полупроводниковых материалов и структур.

Физический эффект и его компоненты

1. Определение физического эффекта

Для однозначности толкования понятия физический эффект принято следующее определение: физический эффект – это закономерность проявления результатов взаимодействия объектов материального мира, осуществляемого посредством физических полей. При этом закономерность проявления характеризуется последовательностью и повторяемостью при идентичности взаимодействия.

Все физические поля и их модификации будем рассматривать как воздействия в отрыве от тех материальных объектов, от которых они исходят.

Воздействие всегда направлено на некоторый материальный объект (в дальнейшем просто «объект»), которым может быть отдельный элемент или совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определенную структуру. Так, к объектам могут быть отнесены: системы из макротел (в том числе детали приборов, механизмов и т. д.), макротела (твердое тело, жидкость, кристалл и т.п.), молекула, атом, части атомов и молекул, частицы и т. д.

Результаты воздействия – это эффекты, проявляющиеся на объектах (или в окружающем их пространстве), на которые направлены определенные воздействия. Результатами воздействия являются те же физические поля, которые относятся к воздействиям. Этим обусловливается взаимосвязь между ФЭ, которая используется в объектах техники. К результатам воздействия относятся также измерения параметров объектов (размеров, формы, диэлектрической проницаемости и т. д.). При постоянстве условий взаимодействия и свойств объекта проявляются одни и те же результаты воздействия.

На рис. 1 изображена схема представления отдельного ФЭ, где А – воздействие, В – физический объект, на который оказывается воздействие, С – результат воздействия (эффект). Схематическое изображение ФЭ позволяет наглядно представлять физические процессы, происходящие при взаимодействии материальных объектов, в том числе в объектах техники.

А С

В

Рис. 1. Структурная схема ФЭ