Программа дисциплины Микро-и наноэлектроника

Правительство Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"

Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

Факультет Электроники и телекоммуникаций

Программа дисциплины Микро-и наноэлектроника

lля специальности 210602.65 «Наноматериалы» подготовки специалиста

Автор программы:

, докт. техн. наук, профессор, *****@

Одобрена на заседании кафедры "Электроника и наноэлектроника" «___»___________ 2012 г.

Зав. кафедрой ______________

Рекомендована секцией УМС «Электроника» «___»___________ 2012 г.

Председатель __________________________

Утверждена УС факультета Электроники и телекоммуникаций «___»____________2012 г.

Ученый секретарь________________________

Москва, 2012

Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.

1.  Цели и задачи дисциплины

Содержание дисциплины направлено на ознакомление студентов с физическими процессами, происходящими в различных твердотельных приборах дискретного и интегрального исполнения.

2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО

Данная дисциплина относится к региональной части цикла общепрофессиональных дисциплин ООП и взаимосвязана со следующими дисциплинами: базируется на курсах «Физика конденсированного состояния» и «Физика полупроводников»; является основой курсов «Квантовая и оптическая электроника» и «Спецглавы физики твердого тела».

3. В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать: физические основы твердотельной и микроэлектроники: принципы действия основных приборов – биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, СВЧ-диодов, их параметры и их конструктивные особенности дискретного и интегрального исполнения.

Уметь: применять полученные знания при теоретическом анализе и компьютерном моделировании устройств микроэлектроники.

Владеть: информацией об областях применения и перспективах развития приборов и устройств твердотельной и микроэлектроники; методами экспериментальных исследований параметров и характеристик приборов твёрдотельной электроники; информацией об областях применения и перспективах развития приборов.

4. Объем дисциплины и виды учебной работы

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
8	9	-
Общая трудоемкость дисциплины	224	160	64
Аудиторные занятия (всего)	119	68	51
В том числе:
Лекции	68	34	34
Практические занятия (ПЗ)	17	17
Лабораторные работы (ЛР)	34	17	17
Самостоятельная работа (всего)	105	92	13
В том числе:	-
Курсовая работа	13		9
Контрольные работы	6	3	2
Домашние работы	6	3	2
Другие виды самостоятельной работы	-
Подготовка к лабораторным работам
Промежуточная аттестация (экзамен)		+
Итоговая аттестация – зачет и экзамен по курсовой работе			+

5. Содержание дисциплины

5.1. Содержание разделов дисциплины

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела
	Введение	Об основных тенденциях развития современной микроэлектроники
1	Контакт металл-полупроводник	Термоэлектронная эмиссия. Контактная разность потенциалов. Понятие плотного и не плотного электрического контакта. Выпрямляющий контакт к п- и р-полупроводнику: равновесная энергетическая диаграмма контакта, эпюры плотности объемного заряда и электрического поля, состояние термодинамического равновесия, изменение энергетической диаграммы контакта при смещении, вольт-амперная характеристика контакта. Антизапорные контакты к полупроводнику: равновесная энергетическая диаграмма контакта, прохождение тока через контакт. Омические контакты к полупроводникам.
2.	Физические процессы в р-п-переходе	Методы создания р-п-перехода. Равновесная энергетическая диаграмма. Контактная разность потенциалов в р-п-переходе. Решение уравнения Пуассона для области объемного заряда р-п-перехода. Эпюры плотности объемного заряда, электрического поля и потенциала в зоне перехода в равновесном состоянии. Равновесная толщина области объемного заряда. Изменение слоя объемного заряда под действием внешнего смещения, зарядовая (или барьерная) емкость р-п-перехода. Состояние термодинамического равновесия р-п-перехода. Нарушение термодинамического равновесия р-п-перехода под действие внешнего смещения. Качественная картина проводимости р-п-перехода при прямом и обратном смещении. Понятие инжекции и экстракции. Вольт-амперная характеристика «тонкого» р-п-перехода. Влияние сопротивления базы на вид вольт-амперной характеристики. Влияние температуры на вид вольт-амперной характеристики. Влияние процессов генерации и рекомбинации в области объемного заряда на вид вольт-амперной характеристики. Пробой р-п-перехода: тепловой пробой, лавинный пробой, туннельный пробой. Частотные и импульсные свойства р-п-перехода. Диффузионная емкость р-п-перехода.
3.	Простейшие устройства твердотельной электроники: выпрямительные диоды, диоды Шоттки, стабилитроны	Классификация полупроводниковых диодов. Структура и основные элементы полупроводникового диода. Назначение выпрямительных диодов. Основные параметры выпрямительных диодов и факторы, определяющие эти параметры. Влияние поверхностных состояний на вольт амперную характеристику. Выпрямительные диоды Шотки. Стабилитроны и стабисторы. Назначение, конструкция и принцип действия. Основные параметры стабилитронов. Факторы, определяющие эти параметры. Прецизионные стабилитроны.
4.	Биполярные транзисторы	Структура, принцип действия, схемы включения транзистора. Энергетическая диаграмма при нормальном включении. Анализ схемы с ОБ, усиление мощности. Усиление тока транзистором в схеме с ОЭ. Коэффициенты передачи токов эмиттера и базы. Зависимость коэффициента передачи тока базы от режима и температуры. Статические характеристики транзистора. Входные и выходные характеристики, характеристики передачи транзистора в схеме с общей базой и общим эммитером. Сущность эффекта Эрли. Пробой транзистора. Модель Эберса-Молла. Влияние температуры на статические характеристики. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора. Физические схемы и собственные параметры. Параметры транзистора как линейного четырехполюсника. Зависимость малосигнальных параметров от постоянной составляющей тока на входе и напряжения на выходе. Частотные параметры транзистора. Работа транзистора с нагрузкой. Нагрузочная характеристика. Активный режим работы. Ключевой режим работы транзистора. Работа транзистора на импульсах. Переходные процессы в транзисторе. Классификация транзисторов по мощности и по частоте. Методы формирования и основные типы транзисторных структур. Конструктивно-технологические особенности мощных транзисторов. Биполярные транзисторы как элементы интегральных микросхем.
5	Полевые транзисторы с управляющим переходом	Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом. Структура и принцип действия. Статические выходные характеристики и характеристики передачи. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы. Разновидности полевых транзисторов. Полевые транзисторы с управляющим барьером Шотки (ПТШ). Сравнительная характеристика арсенида галлия и кремния. Структура ПТШ. Принцип действия при работе в режимах обогащения и обеднения канала. Статические характеристики. Конструктивно-технологические особенности и основные параметры. ПТШ как элементы интегральных микросхем на основе арсенида галлия.
6	МДП-транзисторы	Эффект электрического поля в полупроводниках. Идеальная структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура). Энергетические диаграммы МДП-структуры в режимах обогащения, обеднения и инверсии. Пороговое напряжение. Особенности реальных МДП-структур. Структура, принцип действия и схемы включения МДП-транзистора. Транзисторы с индуцированным и со встроенным каналом. Статические выходные характеристики. Перекрытие канала. Напряжение насыщения. Уравнения BAX для крутой и пологой частей характеристик. Характеристики передачи. Влияние температуры на статические характеристики. Пробой транзистора. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы МДП-транзистора. Частотные свойства. Переходные процессы в МДП-транзисторе при работе в качестве электронного ключа. Конструктивно-технологические разновидности транзисторов. Эффекты короткого канала в МДП-транзисторах. Зависимость порогового напряжения от длины канала и напряжения на стоке. Особенности статических характеристик короткоканальных транзисторов. Транзисторы с самосовмещенным затвором. МДП-транзисторы как элементы интегральных микросхем. Приборы с зарядовой связью (ПЗС).
7	Тиристоры	Структура и принцип действия диодного тиристора. Энергетические диаграммы. Открытое и закрытое состояние. Вольт-амперная характеристика. Суммарный коэффициент передачи тока тиристорной структуры. Пробой тиристора. Диодый тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом. Триодный тиристор. Принцип управления. Условие переключения. Симметричный тиристор. Способы управления тиристорами. Конструктивно-технологические особенности и параметры тиристоров.
8	СВЧ-генераторные диоды	Диоды Ганна. Лавинно-пролетные диоды. Туннельные диоды.
9	ЗАКЛЮЧЕНИЕ	Интегральная микроэлектроника (основные понятия)

6. Лабораторный практикум.

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ
1	2	Исследование барьерной емкости р-п-перехода
2	2	Влияние температуры на вид вольт-амперной характеристики р-п-перехода
3	2	Исследование процессов восстановления обратного сопротивления выпрямительного диода с р-п-переходом
4	3	Исследование основных параметров кремниевых стабилитронов
5	4	Статические характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ
6	4	Исследование зависимости коэффициента передачи тока базы от тока коллектора
7	5	Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-п-переходом в схеме с ОИ.
8	6	Статические характеристики МДП-транзистора

7. Курсовая работа:

а) расчет р-п-перехода с различными исходными данными

б) расчет параметров планарно-эпитаксиального транзистора с различными исходными данными.

8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

. Рекомендуемая литература:

а) основная литература:

1. . Физические процессы в р-п-переходе. М. МИЭМ, 2009

2. (8-е изд. испр.) Полупроводниковые приборы СПб.: Лань, 2006.

.3. . Твердотельная электроника. Методические указания к курсовой работе. М. МИЭМ, 2011

4. . Биполярные транзисторы. М. МИЭМ, 2006

5. , , приборы. СПб.: Лань, 2003.

6. . Расчет дрейфового планарно-эпитаксиального транзистор. Методические указания к курсовой работе. М. МИЭМ, 2005

7. . Твердотельная электроника. Исследование влияния температуры на вольтамперную характеристику выпрямительного диода, Исследование барьерной емкости р-п-перехода, М. МИЭМ, 2011

8. . Исследование основных параметров кремниевых стабилитронов, М. МИЭМ, 2005

9. . Исследование процессов восстановления обратного сопротивления диода с р-п-переходом. М. МИЭМ, 2011

10. . Исследование переходных процессов в полупроводниковых диодах с р-п-переходом, М. МИЭМ, 1987

11. . Исследование статических характеристик полевого транзистора с управляющим р-п-переходом. М. МИЭМ, 2007

12. . Исследование статических характеристик биполярного транзистора. М. МИЭМ, 2007

б) дополнительная литература:

1.  .Р. Маллер, Т. Кейминс. Элементы интегральных схем. М.: Мир, 1989.

2.  , , . Полупроводниковые приборы. М.: Энергоатомиздат, 1990.

3.  С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984

в) программное обеспечение: Mathcad 13

9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:

·  Компьютерный класс на 12 мест, оснащенный 12 персональными компьютерами на базе процессоров Intel Pentium 4.

·  Десять универсальных лабораторных стендов, каждый из которых включает в себя следующий набор измерительных приборов:

осциллограф типа ФСК-1021 1шт

генератор синусоидального сигнала типа АНР-1002 1 шт

генератор прямоугольных импульсов типа Г5-54 1 шт

Источник стабилизированного питания типа АТН-2031

Цифровой вольтметр типа В7-27 2 шт

Цифровой измеритель тока и напряжения типа В7-40 1 шт

Цифровой измеритель тока и напряжения типа В7-21А

Внутренний универсальный источник питания

Каждый стенд оснащен сменными вставками для выполнения соответствующих лабораторных работ.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 210600 «Нанотехнология».

Автор программы , д. т.н., профессор кафедры "Электроника и наноэлектроника"