- •Предисловие
- •Условные обозначения
- •Список сокращений
- •Введение
- •Концептуальная диаграмма
- •Контрольныевопросыизадания
- •Глава 1структура и свойства твердых тел
- •Равновесное расположение частиц в кристалле
- •Идеальные кристаллы. Решетки Бравэ
- •Решетки Бравэ
- •Нормальные колебания решетки. Фононы
- •Структура реальных кристаллов
- •Структурозависимые свойства
- •Жидкие кристаллы
- •1.7. Аморфное состояние
- •Контрольныевопросыизадания
- •Глава 2физические основы квантовой механики
- •2.1. Волновые свойства микрочастиц
- •2.2. Уравнение Шредингера. Волновая функция
- •2.3. Свободный электрон. Фазовая и групповая скорости
- •2.4. Электрон в потенциальной яме
- •2.5. Туннелирование микрочастиц сквозь потенциальный барьер
- •Коэффициент прозрачности барьера
- •2.6. Квантовый гармонический осциллятор
- •2.7. Водородоподобный атом. Постулат Паули
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 3элементы статистической физики
- •3.1. Термодинамическое и статистическое описание коллектива. Функция распределения
- •3.2. Фермионы и бозоны. Вырожденные и невырожденные коллективы
- •Возможные варианты состояний
- •3.3. Функция распределения Максвелла-Больцмана Химический потенциал
- •3.4. Функция распределения Ферми-Дирака. Энергия Ферми
- •3.5. Функция распределения Бозе-Эйнштейна
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 4элементы зонной теории твердых тел
- •4.1. Обобществление электронов в кристалле
- •4.2. Модель Кронига-Пенни
- •4.3. Зоны Бриллюэна
- •4.4. Эффективная масса электрона
- •4.5. Зонная структура изоляторов, полупроводников и проводников. Дырки
- •4.6. Примесные уровни
- •Донорные примеси
- •Акцепторные примеси
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 5электропроводность твердых тел
- •5.1. Проводимость и подвижность носителей
- •5.2. Механизмы рассеяния и подвижность носителей
- •5.3. Концентрация носителей и уровень Ферми в полупроводниках
- •5.4. Электропроводность полупроводников
- •5.5. Электропроводность металлов и сплавов
- •5.6. Сверхпроводимость
- •Температура сверхпроводящего перехода
- •5.7. Основы теории Бардина – Купера – Шриффера
- •5.8. Эффекты Джозефсона
- •Параметры слабосвязанных сверхпроводниковых структур, изготовленных методами интегральной технологии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 6 равновесные и неравновесные носители заряда
- •6.1. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей. Время жизни
- •6.2. Уравнения непрерывности
- •6.3. Фотоэлектрические явления в полупроводниках
- •3 − Экситонное поглощение; 4 − решеточное поглощение;
- •5 − Поглощение свободными носителями
- •2 − Полупроводниковая пленка; 3 − контактные площадки; 4 − защитное покрытие
- •6.4. Полупроводники в сильном электрическом поле
- •6.5. Токовые неустойчивости в сильных электрических полях
- •6.6. Эффект Ганна
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 7 Контактные явления
- •7.1. Работа выхода электрона. Контакт металл – металл
- •7.2. Контакт металл – полупроводник
- •7.3. Электронно-дырочный переход
- •7.4. Выпрямляющее действие p-n-перехода. Пробой
- •7.5. Гетеропереходы
- •7.6. Эффект Зеебека
- •7.7. Эффект Пельтье
- •7.8. Фотоэффект в p-n – переходе. Фотодиоды
- •7.9. Излучательные процессы в p-n – переходе. Светодиоды
- •Инжекционные полупроводниковые лазеры
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 8поверхностные явления в полупроводниках
- •8.1. Поверхностные энергетические состояния
- •8.2. Зонная диаграмма и заряд в приповерхностном слое
- •8.3. Поверхностная проводимость
- •8.4. Эффект поля. Полевые транзисторы
- •8.5. Влияние состояния поверхности на работу полупроводниковых приборов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 9 Электронные процессы в тонких пленках и тонкопленочных структурах
- •9.1. Структура и свойства тонких пленок
- •Механизмы электропроводности в диэлектрических пленках
- •9.2. Контакт металл-диэлектрик. M-д-m – структура
- •Глубина обогащенного слоя [20]
- •Глубина области обеднения
- •9.3. Туннелирование сквозь тонкую диэлектрическую пленку
- •9.4. Токи надбарьерной инжекции электронов
- •9.5. Токи, ограниченные пространственным зарядом
- •9.6. Прохождение горячих электронов сквозь тонкие металлические пленки
- •9.7. Активные устройства на основе тонкопленочных структур
- •1. Диоды с резонансным туннелированием
- •2. Диэлектрические диоды
- •3. Тонкопленочный триод на основе топз
- •4. Транзисторы на горячих электронах
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 10 перспективы развития микроэлектроники
- •10.1. Ограничения интегральной электроники
- •10.2. Функциональная электроника
- •10.3. Системы пониженной размерности. Наноэлектроника
- •10.4. Квантовые одно- и двумерные структуры
- •10.5. Квантовые точки. Одноэлектроника
- •3 А) б) игла островок изолятор затвор исток
- •Контрольные вопросы и задания
- •Заключение
- •Приложения п.1. Фундаментальные физические постоянные
- •П.2. Свойства полупроводников
- •П.3. Некоторые единицы системы си Основные единицы
- •Некоторые производные механические единицы
- •Некоторые производные единицы электрических величин
- •Некоторые производные единицы магнитных величин
- •П.4. Внесистемные единицы, допускаемые к применению
- •П.5. Плотность некоторых твердых тел
- •Библиографический список
- •Алфавитно-Предметный указатель
- •Оглавление
- •424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3
- •424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17
В. Н. Игумнов
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Издание второе
Рекомендовано государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования “Московский физико-технический институт” (государственный университет) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки “Проектирование и технология электронных средств”.
Регистрационный номер рецензии 389 от 30.06.09 МГУП.
Йошкар-Ола
Марийский государственный технический университет
2010
УДК 621.382:539.2
ББК 32.852
И 28
Рецензенты:
зав. кафедрой конструирования и производства электронно-вычислительной аппаратуры Казанского государственного технического университета, д-р техн. наук, проф. О. Ш. Даутов;
зав. кафедрой квантовой статистики Марийского государственного университета, д-р физ.-мат. наук, проф. А. А. Косов
Печатается по решению
редакционно-издательского совета МарГТУ
Игумнов, В. Н.
И 28 Физические основы микроэлектроники: учебное пособие - изд. 2-е, исправленное / В. Н. Игумнов. – Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2010. – 272 с.
Представлены базовые понятия квантовой механики, статической физики, физики полупроводников и полупроводниковых приборов, контактные и поверхностные явления и другие фундаментальные положения, необходимые при изучении курса «Физические основы микроэлектроники» и близких ему курсов. Показаны перспективы развития новых направлений микроэлектроники.
Для студентов специальностей 210201.65, 210202.65 и направления 551100, а также студентов родственных специальностей.
УДК 621.382:539.2
ББК 32.852
© Марийский государственный
технический университет, 2010
Предисловие
Настоящее учебное пособие предназначено для изучения теоретической части курса «Физические основы микроэлектроники» и соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта специальностей 210201.65, 210202.65 направления 551100.
Данный курс является синтезом сведений из различных, иногда, казалось бы, далеких друг от друга наук, что предполагает необходимость большого количества внутренних ссылок на предыдущий или последующий материал. Эта особенность курса объясняет и наличие в пособии довольно большого числа терминов, которые автор постарался расшифровать и систематизировал в алфавитно-предметном указателе. В работе над книгой также поможет достаточно подробный перечень условных обозначений и сокращений.
Предлагаемое издание включает себя основы квантовой механики и статистической физики, дает представления о структуре твердого тела и процессах в электрических контактах твердых тел, процессах на поверхности полупроводников. Здесь рассмотрены основы физики проводимости тонких пленок и фотопроводимости, физики сверхпроводимости и элементы наноэлектроники. Теоретические вопросы проиллюстрированы примерами из современной микроэлектроники, криоэлектроники, оптоэлектроники и т.д.
Учебное пособие состоит из введения, десяти глав и заключения. Первая глава посвящена структуре различных твердых тел и их свойствам. Вторая и третья главы носят обслуживающий характер и позволяют лучше понять основной материал, квантовые и статистические особенности микромира. В четвертой и пятой главах изучаются электрические свойства твердых тел, в основном полупроводников. В шестой главе описываются поведение равновесных и неравновесных носителей заряда, влияние электрического и магнитного полей, излучения на свойства полупроводников. Седьмая глава посвящена контактным явлениям и имеет большое значение для понимания работы ИС, содержащих контакты металл-полупроводник и p-n –переходы. В восьмой главе описаны поверхностные явления в полупроводниках. Девятая глава посвящена описанию электрических свойств тонких пленок и тонкопленочных структур, которые имеют специфические характеристики. Последняя, десятая глава содержит описание основных, наиболее перспективных направлений функциональной электроники и наноэлектроники.
В приложениях приведены сведения о свойствах полупроводников, физические константы. В конце каждой главы предложены вопросы и задания, которые позволят закрепить материал и проконтролировать степень его усвоения.
В процессе изучения курса «Физические основы микроэлектроники» студенты должны:
– изучить физические эффекты и явления в области физики твердого тела, физики контактов, физики тонких пленок и др., позволяющие осуществить задание функции микроэлектронных устройств;
– научиться выбирать оптимальные решения в каждом конкретном случае;
– научиться рассчитывать основные параметры элементов ИС.
Не претендуя на полное изложение материала по обозначенным проблемам, автор советует для более детального изучения отдельных вопросов воспользоваться литературой, обширный список которой приведен в конце пособия.
Автор надеется, что приобрести и закрепить практические навыки обработки результатов измерений, исследования основных параметров полупроводников, контактов, МДП-структур и решения задач по различным разделам дисциплины, студентам поможет подготовленный им и изданный в РИЦ МарГТУ одноименный практикум «Физические основы микроэлектроники» (Йошкар-Ола, 2008).
В заключение автор выражает глубокую признательность рецензентам – профессорам О. Ш. Даутову и А. А. Косову за ценные советы и рекомендации, а также тем, кто помогал ему в работе над рукописью, и прежде всего сотрудникам кафедры КиПР и радиотехнического факультета МарГТУ. Особая благодарность А. П. Большакову за труд по техническому оформлению рукописи.
Автор будет признателен всем, кто пожелает высказать свои критические замечания и пожелания по улучшению содержания и оформления книги, которые можно направить по адресу: 424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина 3, Марийский государственный технический университет, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры.