Kniga_16_Fizicheskie_osnovy_nanoinzhenerii-1

и современное развитие радиоэлектроники и микро- и наноэлектроники в России и за рубежом.

2. Физические основы квантовой механики. Элементы зонной теории твердых тел.

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. Зонный характер энергетического спектра электронов в кристаллах. Зависимость энергии электрона от волнового вектора k. Разрешенные

изапрещенные зоны энергии. Зоны Бриллюэна. Валентная зона

изона проводимости. Зонная структура основных полупроводниковых материалов. Движение электрона в периодическом потенциальном поле кристалла. Эффективная масса электрона. Зонная схема кристаллических тел. Проводники, непроводники, полупроводники. Необходимые условия для возникновения проводимости.

3. Статистика электронов и дырок в полупроводниках.

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 полупроводниках. Связь равновесной концентрации носителей с шириной запрещенной зоны полупроводника. Положение уровня Ферми и концентрация носителей в примесных полупроводниках. Энергия ионизации примесных атомов. Зависимость положения уровня Ферми от концентрации легирующей примеси и температуры. 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.

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. Рассеяние электронов на дефектах, тепловых колебаниях кристаллической решетки и ионах примеси. 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. Определение ширины запрещенной зоны полупроводника. 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.

Контакт электронного и дырочного полупроводников. Плавный и резкий p–n-переходы, методы получения. Диффузия носителей. Обедненные слои объемных зарядов. Зависимости равновесных концентраций основных и неосновных носителей от расстояния от p–n-перехода. Равновесное состояние p–n-перехода. Зависимость толщины слоев объемного заряда от концентрации примесей. Контактная разность потенциалов. Зонная схема p–n- перехода в равновесном состоянии. Потенциальный барьер. p–n- переход при наложении внешнего электрического поля. Квазиуровни Ферми. Зонные схемы p–n-перехода при наложении внешнего электрического поля. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тонкого p–n-перехода. Концентрация неосновных носителей на границах запирающего слоя. Рекомбинация неосновных носителей, диффузионная длина. Плотность диффузионного тока неосновных носителей. Формула Шокли. Униполярность проводимости p–n-перехода.

6. Поверхностные явления.

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) МДП-структур на низких и высоких частотах. Влияние на ВФХ МДП-структур заряда диэлектрика и поверхностных состояний. Полевые транзисторы. МДП-транзисторы.

7. Электрофизические свойства p–n-переходов и структур металл–диэлектрик–полупроводник.

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. Сильнополевая туннельная инжекция. Инжекционные методы модификации МДП-структур.

Раздел 4. Семинары

Раздел 5. Лабораторные работы

Содержание

Лабораторная работа № 1. Вводное занятие. Изучение характеристик полупроводниковых фотосопротивлений.

Цель работы: ознакомление с методикой исследования фотоэлектрических свойств полупроводников и измерение спектральной зависимости фотопроводимости и люкс-амперных характеристик полупроводниковых соединений.

Задачи, выполняемые в аудитории. Изучение методик иссле-

дования фотоэлектрических свойств полупроводников. Измерение спектральной зависимости фотопроводимости и люкс-амперных характеристик полупроводниковых соединений.

Лабораторная работа № 2. Определение дрейфовой подвижности неосновных носителей импульсным методом.

Цель работы: измерение дрейфовой подвижности неосновных носителей заряда в кремнии электронной проводимости.

Задачи, выполняемые в аудитории. Ознакомление с изме-

рением дрейфовой подвижности неосновных носителей заряда в кремнии электронной проводимости. Измерения проводятся импульсным методом при комнатной температуре. Инжекция неравновесных носителей осуществляется с помощью точечного эмиттерного контакта.

Лабораторная работа № 3. Определение концентрации и холловской подвижности основных носителей заряда.

Цель работы: ознакомление с определением концентрации и холловской подвижности основных носителей заряда в полупроводнике с помощью эффекта Холла.

Задачи, выполняемые в аудитории. Ознакомление с опреде-

лением концентрации и холловской подвижности основных носителей заряда в полупроводнике с помощью эффекта Холла.

Лабораторная работа № 4. Исследование электронно-дыроч- ного перехода.

Цели работы: исследование вольт-амперной характеристики электронно-дырочного перехода и ее зависимости от температуры; определение контактной разности потенциалов; измерение зависимости барьерной ёмкости от величины напряжения, приложенного к переходу; расчет ширины обедненного слоя.

Задачи, выполняемые в аудитории. Исследование вольт-

амперной характеристики электронно-дырочного перехода и ее зависимости от температуры. Ознакомление с определением контактной разности потенциалов; с измерением зависимости барьерной ёмкости от величины напряжения, приложенного к переходу. Ознакомление с расчетом ширины обедненного слоя.

Раздел 6. Самостоятельная работа

Содержание

1. Самостоятельная проработка курса лекций.

1.1. Рубежный контроль № 1. Проводится по темам, описанным в пп. 1–4 раздела 3.

1.2. Рубежный контроль № 2. Проводится по темам, описанным в пп. 4–7 раздела 3.

2. Самостоятельное изучение разделов курса:

♦«Сверхпроводники 1-го и 2-го рода».

♦«Эффекты Джозевсона, Мейсснера–Оксенфельда».

Раздел 7. Учебно-методические материалы Литература

1.ГуртовВ. Твердотельнаяэлектроника. – 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.

Программа составлена:

профессор В. В. Андреев ______________

профессор А. А. Столяров ______________

2.2. СТРУКТУРА И СОСТАВ ФОНДОВ ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Фонды оценочных средств по дисциплине представляют собой:

1.Перечень вопросов для рейтинговых и контрольных мероприятий.

2.Варианты экзаменационных билетов.

2.2.1.ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ ДЛЯ РЕЙТИНГОВЫХ

ИКОНТРОЛЬНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

1.Влияние сближения атомов на потенциальные барьеры.

2.Приближение слабой связи.

3.Приближение сильной связи.

4.Соотношение неопределенности для энергии и времени.

5.Уравнение Шредингера.

6.Зависимость энергии электрона от волнового вектора k.

7.Зоны Бриллюэна.

8.Зонная структура кристалла кремния.

9. Получить выражение, определяющее скорость электрона

в кристалле.

10.Получить выражение, определяющее эффективную массу электрона в кристалле.

11.Показать, какие значения может принимать эффективная масса.

12.Зависимости энергии, скорости и эффективной массы электрона от волнового вектора k.

13.Зонная схема кристаллических тел. На какие две группы можно разделить кристаллы по характеру заполнения двух верхних энергетических зон?

14.Необходимые условия для возникновения проводимости.

15.Понятие дырки.

16.Плотность состояний.

17.Функция распределения Ферми.

18.Зависимость концентраций носителей в полупроводнике n-типа от положения уровня Ферми.

19.Зависимость концентраций носителей в полупроводнике р-типа от положения уровня Ферми.

20.Произведение концентраций носителей в невырожденном полупроводнике.

21.Положение уровня Ферми в собственном полупроводнике.

22.Зависимость положения уровня Ферми в собственном полупроводнике от температуры.

23.Получите закон действующих масс.

24.Соотношения концентраций собственных и примесных носителей в полупроводнике n-типа в различных областях температур.

25.Соотношения концентраций собственных и примесных носителей в полупроводнике p-типа в различных областях температур.

26.Температурная зависимость концентрации носителей в примесных полупроводниках. Область низких температур.

27.Температурная зависимость концентрации носителей в примесных полупроводниках. Область истощения примесей.

28.Температурная зависимость концентрации носителей в примесных полупроводниках. Область высоких температур.

29.Зависимость положения уровня Ферми от температуры в примесном полупроводнике n-типа.

30.Зависимость положения уровня Ферми от температуры в примесном полупроводнике р-типа.

31.Основные и неосновные носители в полупроводниках. Закон действующих масс.

32.Неравновесные носители.

33.Виды рекомбинации.

34.Составляющие изменения количества носителей в выделенном объеме полупроводника.

35.Уравнение непрерывности в полупроводниках.

36.Время жизни носителей.

37.Дрейф носителей. Электропроводность. Удельное объемное сопротивление.

38.Подвижность носителей.

39.Зависимости подвижности носителей невырожденного электронного газа от температуры.

40.Зависимости подвижности носителей вырожденного электронного газа от температуры.

41.Получите формулу для электропроводности кристаллов.

42.Электропроводность металлов.

43.Электропроводность собственных полупроводников.

44.Температурный метод определения ширины запрещенной зоны полупроводника.

45.Отличия температурных зависимостей электропроводности металлов и полупроводников.

46.Электропроводность примесных полупроводников. Область низких температур.

47.Электропроводность примесных полупроводников. Область температур от Tи до Tс.

48.Электропроводность примесных полупроводников. Область высоких температур.

49.Дрейфовые и диффузионные составляющие тока в полупроводниках.

50.Объемные заряды и плотность тока в полупроводниках.

51.Плотность тока в полупроводниках. Уравнения Эйнштейна.

52.Электронно-дырочный переход. Плавный и резкий p–n-пере- ходы.

53.Обедненные слои объемного заряда p–n-перехода.

54.Зависимость концентраций основных и неосновных носителей от расстояния в p–n-переходе.

55.Объемные заряды, толщины обедненных слоев в p–n-пере- ходе.

56.Электрическое поле, контактная разность потенциалов в p–n-пе- реходе. Зонныедиаграммыполупроводниковn- иp-типа.

57.Зонная диаграмма p–n-перехода в равновесном состоянии.

58.Получите зависимость контактной разности потенциалов от концентрации легирующих примесей в области p–n-перехода.

59.p–n-переход при прямом смещении.

60.p–n-переход при обратном смещении.

61.Получите выражения для избыточных концентраций неосновных носителей на границах p–n-перехода.

62.Зависимости концентраций неосновных носителей от расстояния от p–n-перехода.

63.Получите выражение для ВАХ тонкого p–n-перехода.

64.ВАХ p–n-перехода при прямом смещении.

65.ВАХ p–n-перехода при обратном смещении.

66.Тепловой ток р–n-перехода.

67.Дифференциальное сопротивление р–n-перехода.

68.Поверхностные состояния.

69.Зонные диаграммы полупроводника р-типа с положительным или отрицательным зарядами на поверхностных состояниях.

70.Зонные диаграммы полупроводника n-типа с положительным или отрицательным зарядами на поверхностных состояниях.

71.МДП-структуры. Параметры слоев.

72.МДП-структуры.

73.Установка для измерения ВФХ.

74.ВФХ МДП-структур.

75.ВЧиНЧВФХМДП-структурс полупроводникамиn- ир-типа.

76.ВФХ МДП структур с зарядом в диэлектрике и с большой плотностью поверхностных состояний.

77.Полевые транзисторы. Общие сведения.

78.Полевые транзисторы. Классификация по проводимости канала. Отличительные особенности.

79.Структура полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа.

80.Структура полевого транзистора с встроенным каналом.

81.Изготовление МДП-транзистора.

82.Работа МДП-транзистора.

83.Проводящие каналы в МДП-транзисторах.

84.Обозначения МДП-транзисторов.

85.Линейная область выходных ВАХ МДП-транзистора.

86.Область насыщения тока стока МДП-транзисторов.

87.Основные параметры МДП-транзисторов.

88.Структура полевого транзистора с управляющим p–n-пере- ходом.

89.Работа полевого транзистора с управляющим p–n-переходом.

90.Выходные ВАХ полевого транзистора с управляющим p–n-пе- реходом.

91.Напряжение отсечки.

92.Кулоновская блокада.

93.Одноэлектронный транзистор.

94.Устройства молекулярной электроники.

95.Устройства спинэлектроники.

96.Углеродные нанотрубки.

97.Графен.

98.Фуллерены и фуллериты.

99.Сканирующая туннельная микроскопия.

100.Атомная силовая микроскопия.

101.Методы сканирующей зондовой микроскопии.

2.2.2. ВАРИАНТЫ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ БИЛЕТОВ

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 1

по курсу «Физические основы наноинженерии»

1.Приближение сильной связи.

2.Контакт электронного и дырочного полупроводников.

Билет рассмотрен и утвержден на заседании кафедры «__» ______________ г.

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 2

по курсу «Физические основы наноинженерии»

1.Приближение слабой связи.

2.p–n-переход в равновесном состоянии.

Билет рассмотрен и утвержден на заседании кафедры «__» ______________ г.