Kniga_16_Fizicheskie_osnovy_nanoinzhenerii-1

2.МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1.НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Вданном разделе представлены материалы, являющиеся нормативными документами по дисциплине «Физические основы наноинженерии». Приведен учебно-методический комплекс по дисциплине, а также примерная базовая программа дисциплины.

2.1.1. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ

Направление «Нанотехнология» с профилем подготовки «Наноинженерия»

Кафедра ЭИУ1-КФ

Д-р техн. наук, профессор Владимир Викторович Андреев,

тел. (4842) 57-81-88;

д-р техн. наук, профессор Александр Алексеевич Столяров,

тел. (4842) 57-81-88

Основная цель дисциплины: изучение физических законов и явлений, на которых основано функционирование элементов современной микроэлектроники.

Планируемые результаты изучения дисциплины

Задачи дисциплины: формирование научных представлений, умений и навыков по следующим направлениям:

♦элементы зонной теории твердых тел;

♦статистика электронов и дырок в полупроводниках;

♦электропроводность металлов и полупроводников;

♦электрофизические свойства p–n-переходов и структур ме- талл–диэлектрик–полупроводник;

♦основные принципы работы полевых транзисторов;

♦методы исследования физических процессов и определения параметров полупроводниковых материалов и структур.

Студент должен знать:

♦основы зонной теории твердых тел;

♦основные соотношения, определяющие концентрации носителей в полупроводниках и их зависимости от температуры;

♦основные соотношения, определяющие электропроводность металлов, собственных и примесных полупроводников, температурные зависимости электропроводности;

♦физические процессы, протекающие в p–n-переходах в равновесном состоянии и в условиях наложения внешнего электрического поля, их свойства и характеристики;

♦физические процессы, протекающие в МДП-структурах в равновесном состоянии и в условиях наложения внешнего электрического поля, их свойства и характеристики, основные принципы работы МДП-транзисторов.

Студент должен уметь:

♦ проводить анализ физических процессов, протекающих

в полупроводниках и полупроводниковых структурах;

♦проводить расчеты электрофизических параметров по полученным экспериментальным данным.

Студент должен приобрести навыки:

♦измерения параметров и характеристик полупроводниковых материалов и полупроводниковых структур;

♦обработки полученных экспериментальных данных;

♦сборки и настройки стендов для измерения электрофизических характеристик.

Место дисциплины в учебном плане специальности

Предшествующие дисциплины:

♦«Математика».

♦«Математический анализ» (дифференциальное и интегральное исчисления).

♦«Комплексные числа».

♦«Теория вероятностей и математическая статистика».

♦«Физика».

♦«Электричество».

♦«Квантовая механика».

♦«Физика твердого тела».

♦«Материаловедение и материалы электронных средств».

♦«Физико-химические свойства металлов, диэлектриков и

полупроводников».

Является основой для дисциплин:

♦«Электроника и микроэлектроника».

♦«Интегральные устройства радиоэлектроники».

♦«Схемотехника».

Структура

1. Введение (1 ч).

Предмет и содержание курса.

2. Физические основы квантовой механики. Элементы зонной теории твердых тел (7 ч).

Волновые свойства микрочастиц, применение уравнения Шредингера к описанию движения свободной частицы, соотношения неопределенностей Гейзенберга, потенциальные барьеры для микрочастиц, фазовая и групповая скорости, фононы.

Электронный газ в периодическом потенциальном поле. Приближение сильной связи. Приближение слабой связи. Зоны Бриллюэна. Валентная зона и зона проводимости. Зонная структура основных полупроводниковых материалов. Эффективная масса электрона. Зонная схема кристаллических тел. Проводники, непроводники, полупроводники.

3. Статистика электронов и дырок в полупроводниках (8 ч).

Собственные и примесные полупроводники. Плотность состояний. Функция Ферми. Вырожденный и невырожденный электронный газ. Концентрация электронного газа. Зависимость концентрации свободных носителей в полупроводнике от положения уровня Ферми. Закон действующих масс. Положение уровня Ферми и равновесная концентрация носителей в невырожденных собственных и примесных полупроводниках. Энергия ионизации примесных атомов. Зависимость концентрации носителей от температуры в примесных полупроводниках – область низких температур, область истощения примесей, область собственной проводимости. Неравновесные носители. Генерация и рекомбинация

носителей. Уравнение непрерывности для полупроводников Скорость генерации и рекомбинации носителей. Виды рекомбинации.

4. Электропроводность твердых тел (8 ч).

Движение электронов под действием внешнего электрического поля. Электропроводность и удельное объемное сопротивление. Влияние кристаллической решетки на движение электронов. Дрейфовая скорость, среднее время свободного пробега. Подвижность носителей. Механизмы рассеяния. Зависимость подвижности носителей заряда для вырожденного и невырожденного газа от температуры. Температурная зависимость подвижности носителей в чистых металлах. Электропроводность чистых металлов. Зависимость электропроводности металлов от температуры. Электропроводность собственных полупроводников и ее зависимость от температуры. Электропроводность примесных полупроводников. Температурная зависимость электропроводности. Температура истощения примеси, температура перехода к собственной проводимости.

Диффузионные и дрейфовые токи в полупроводниках. Электрическое поле объемных зарядов. Связь между дрейфовой подвижностью носителей и коэффициентом диффузии – уравнения Эйнштейна.

5. Контактные явления (10 ч).

Контакт электронного и дырочного полупроводников. Плавный и резкий p–n-переходы, методы получения. Диффузия носителей. Обедненные слои объемных зарядов. Контактная разность потенциалов. Зонная схема p–n-перехода в равновесном состоянии. Потенциальный барьер. p–n-переход при наложении внешнего электрического поля. Квази-уровни Ферми. Зонные схемы p–n-перехода при наложении внешнего электрического поля. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тонкого p–n-перехода. Униполярность проводимости p–n-перехода.

6. Поверхностные явления (8 ч).

Поверхностные состояния. Уровни Тамма. Поверхностная проводимость и изгиб зон у поверхности полупроводника. Эффект поля. МДП-структуры. Зонные диаграммы МДП-структур в режимах обеднения, обогащения и инверсии. Поверхностная рекомбинация. Вольт-фарадные характеристики (ВФХ) МДПструктур на низких и высоких частотах. Полевые транзисторы. МДП-транзисторы.

7. Электрофизические свойства p–n-переходов и структур металл–диэлектрик–полупроводник (9 ч).

Дифференциальное сопротивление и тепловой ток p–n-пере- ходов. ВАХ реального p–n-перехода. Барьерная и диффузионная ёмкость p–n-перехода. Механизмы пробоя p–n-переходов – туннельный, лавинный и тепловой. p–n-переход, образованный вырожденными полупроводниками. Механизмы переноса заряда через тонкие диэлектрические пленки.

Практические занятия

Лабораторная работа № 1. Вводное занятие. Изучение характеристик полупроводниковых фотосопротивлений (5 ч).

Лабораторная работа № 2. Определение дрейфовой подвижности неосновных носителей импульсным методом (4 ч).

Лабораторная работа № 3. Определение концентрации и холловской подвижности основных носителей заряда (4 ч).

Лабораторная работа № 4. Исследование электронно-дыроч- ного перехода (4 ч).

Организация учебных занятий по дисциплине

Дисциплина должна строиться на основе оптимального соотношения теоретических и прикладных вопросов с обязательным участием студентов в самостоятельном изучении оригинальных частных задач. В течение семестра проводится два рубежных контроля. Для самостоятельной проработки дисциплины на сервере кафедры размещен конспект лекций, доступный студентам на первой неделе занятий. Лабораторные работы проводятся на современном контрольноизмерительном оборудовании.

Семестр – 5-й (экзамен).

Методическое обеспечение Литература

1.Гуртов В. Твердотельная электроника. – М. : Техносфера,

2007.

2.Епифанов Г. И., Мома Ю. А. Твердотельная электроника. – М. : Высшая школа, 1986.

3.Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы.

–СПб. : Лань, 2001.

4.Петров К. С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. – СПб. : Питер, 2004.

5.Протасов Ю. С., Чувашев С. Н. Твердотельная электроника.

–М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003.

6.Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. – М. : Лаборатория базовых знаний, 2004.

7.Столяров А. А. Физические основы микроэлектроники. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006.

Мультимедийные и интерактивные средства, электронные учебники

Для самостоятельной проработки дисциплины на сервере кафедры размещен конспект лекций, доступный студентам на первой неделе занятий. Лабораторные работы проводятся на современном контрольно-измерительном оборудовании.

Объем. Всего 102 ч, в том числе лекции – 51 ч, лабораторные работы – 17 ч, самостоятельная проработка разделов курса, подготовка к контрольным мероприятиям – 34 ч.

Приложения (на CD-диске)

♦Конспект лекций по курсу.

♦Билеты по курсу.

♦Дополнительные методические материалы.

Программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования в соответствии с требованиями к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по специальности «Нанотехнология» с профилем подготовки «Наноинженерия», квалификация – бакалавр.

Раздел 1. Цели и задачи дисциплины

Цель дисциплины: изучение физических законов и явлений, на которых основано функционирование элементов современной микроэлектроники.

Задачами дисциплины является формирование научных представлений, уменийи навыковпоследующим направлениям:

1)элементы зонной теории твердых тел;

2)статистика электронов и дырок в полупроводниках;

3)электропроводность металлов и полупроводников;

4)электрофизические свойства p–n-переходов и структур ме- талл–диэлектрик–полупроводник;

5)основные принципы работы полевых транзисторов;

6)методы исследования физических процессов и определения параметров полупроводниковых материалов и структур.

Примечание. Изучение данной дисциплины базируется на следующих курсах (разделах курсов):

♦«Математика».

♦«Физика».

♦«Материаловедение и материалы электронных средств». После освоения данной дисциплины студент подготовлен для

изучения следующих курсов учебного плана:

♦«Электроника и микроэлектроника».

♦«Интегральные устройства радиоэлектроники».

♦«Схемотехника».

Раздел 2. Знания, умения и навыки, получаемые после освоения дисциплины

Студент должен знать:

♦основы зонной теории твердых тел;

♦основные соотношения, определяющие концентрации носителей в полупроводниках и их зависимости от температуры;

♦основные соотношения, определяющие электропроводность металлов, собственных и примесных полупроводников, температурные зависимости электропроводности;

♦физические процессы, протекающие в p–n-переходах в равновесном состоянии и в условиях наложения внешнего электрического поля, их свойства и характеристики;

♦ физические процессы, протекающие в МДП-структурах в равновесном состоянии и в условиях наложения внешнего электрического поля, их свойства и характеристики, основные принципы работы МДП-транзисторов.

Студент должен уметь:

♦проводить анализ физических процессов, протекающих в полупроводниках и полупроводниковых структурах;

♦проводить расчеты электрофизических параметров по полученным экспериментальным данным.

Студент должен приобрести навыки:

♦измерения параметров и характеристик полупроводниковых материалов и полупроводниковых структур;

♦обработки полученных экспериментальных данных;

♦сборки и настройки стендов для измерения электрофизических характеристик.

Раздел 3. Содержание дисциплины