Программа дисциплины “Физические основы микроэлектроники”

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 “Физические основы микроэлектроники”

для cпециальности 210201.65 – проектирование и технология радио-

электронных средств подготовки специалиста

Автор программы:

, к. т.н., доцент

Одобрена на заседании кафедры

"Элетроника и наноэлектроника" «___»____________ 20 г.

Зав. кафедрой ______________

Рекомендована секцией УМС «Электроника» «___»____________ 20 г.

Председатель __________________________

Утверждена УС факультета

Электроники и телекоммуникаций «___»_____________20 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.

Главной целью преподавания данной дисциплины является ознакомление студентов с основами теории электропроводности полупроводников, теории p – n – перехода, устройством и основными принципами действи биполярных и полевых транзисторов.

2.  Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

На основе квантово – механического описания движения свободных частиц и зонной теории твердого тела студенты изучают энергетический спектр электронов в кристалле и деление твердых тел на металлы, диэлектрики и полупроводники, температурную зависимость электропроводности кристаллов, собственную и примесную проводимость полупроводников, контактные явления, энергетическую

диаграмму p – n – перехода, ВАХ p – n – перехода, барьерную и диффузионную емкость p – n – перехода, переходные процессы в p – n – переходе, статические характеристики биполярных и полевых транзисторов, перенос носителей заряда в тонких пленках. На основе изученной теоретической части дисциплины студенты приобретают навыки теоретического обоснования зависимости тех или иных параметров полупроводниковых приборов от степени легирования, температуры, режимов эксплуатации, анализа вольт-амперных характеристик и диаграмм переходных процессов p – n – переходов, статических характеристик биполярных и полевых транзисторов. При выполнении лабораторных работ студенты получают навыки экспериментальных исследований кристаллов полупроводника, полупроводниковых приборов, применения современных исследовательских приборов для измерений различных параметров электрических цепей.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы.

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
Общая трудоемкость дисциплины	180	5
Аудиторные занятия	119	5
Лекции	51	5
Практические занятия	34	5
Лабораторные работы	34	5
Самостоятельная работа	61	5
Вид итогового контроля : экзамен		5

4. Содержание дисциплины.

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий.

		Аудиторн. занятия
№ п/п	Раздел дисциплины	Ллекц	ППЗ	ЛЛР
1.	Элементы квантовой механики	*	*	–
2.	Основы зонной теории тел	*	*	*
3.	Статистика электронов и дырок в полупроводн.	*	*	–
4.	Кинетические явления	*	*	*
5.	P – n - переход	*	*	*
6.	Биполярные транзисторы.	*	*	*
7.	Полевые транзисторы	*	*	*

4.2. Содержание разделов дисциплины.

1. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ (3 часов).

Корпускулярно-волновой дуализм, волновое уравнение Шредингера, соотношение неопределенности Гейзенберга, движение свободной частицы, дисперсия, фазовая и групповая скорости.

2.  ОСНОВЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ( 9 часов).

Энергетическая диаграмма электронов свободных атомов, обобществление электронов в кристалле, волновая функция электрона в кристалле, зоны Бриллюэна, движение электрона в кристалле под действием внешней силы, образование и заполнение зон электронами, деление твердых тел на металлы, диэлектрики, полупроводники, собственные полупроводники, понятие о дырках, примесные полупроводники.

3.  СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ И ДЫРОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ.

( 4 часа).

Статистический способ описания коллектива частиц, вырожденные и невырожденные коллективы, функции распределения, функция плотности числа состояний, концентрация электронов и дырок в полупроводнике, положение уровня Ферми и концентрация свободных носителей заряда в собственных полупроводниках, статистика электронов в примесных полупроводниках, статистика электронов металлах.

4.  КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ (4 часа).

Распределение электронов по скоростям, дрейф свободных носителей заряда в электрическом поле, подвижность свободных носителей заряда,

зависимость подвижности от температуры, электропроводность

полупроводников, электропроводность металлов.

5. Р – П – ПЕРЕХОД ( 16 часов).

Получение p – n – переходов, основные типы p – n – переходов, энергетическая диаграмма p – n – перехода в равновесном состоянии, высота потенциального барьера и толщина области пространственного заряда.

Прямое и обратное смещение p – n – перехода, энергетические диаграммы, образование прямого и обратного токов через p – n – переход, воль - амперная характеристика p – n – перехода, ее температурная зависимость.

Влияние напряжения смещения на толщину области пространственного заряда, барьерная емкость, зависимость барьерной емкости от напряжения смещения и степени легирования.

Инжекция носителей через несимметричный p – n – переход, распределение неравновесных носителей в базе, накопление неосновных носителей в базе, диффузионная емкость.

Построение временных диаграмм тока через p – n – переход и напряжения на p – n – переходе при резком переключении полярности внешнего смещения, понятие о времени восстановления обратного сопротивления, влияние переходных процессов на частотные и импульсные свойства p – n – переходов. Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в области пространственного заряда, генерационная составляющая обратного тока, рекомбинационная составляющая прямого тока, влияние процессов генерации рекомбинации в ОПЗ на ВАХ p – n – перехода.

Явление пробоя p – n – перехода, механизм лавинного, туннельного и теплового пробоев, вольт - амперные характеристики пробоев.

6.  БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ( 9 часов).

Свойства структуры из двух несимметричных p – n – переходов с общей узкой базой, токи, протекающие через транзистор, закон Кирхгофа, основные параметры транзисторов, схемы включения транзисторов.

Входная, выходная и передаточная характеристики биполярного транзистора по схеме включения с общей базой и с общим эмиттером, зависимость данных характеристик от режимов работы, системы параметров транзисторов. Эквивалентная схема транзистора, понятие граничной частоты, режимы большого и малого сигналов.

7.  ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ( 6 ЧАСОВ).

Зависимость проводимости канала транзистора от толщины управляющего несимметричного p – n – перехода, механизм движения носителей заряда по каналу транзистора, понятие напряжения отсечки, влияние напряжений на затворе и стоке транзистора на ток стока. Стоковые (выходные) характеристики и стоко-затворные

(передаточные) характеристики транзисторов с управляющим p – n – переходом. МДП – транзисторы со встроенным каналом, явление инверсии

поверхностной проводимости, МДП – транзисторы с инверсионным (индуцированным) каналом, статические стоковые и стоко-затворные

характеристики МДП – транзисторов, сравнение с полевыми транзисторами с управляющим p – n – переходом.

4.3 Понедельный план проведения занятий лекционных и практических.

№ недели	Тема лекции	Тема практических занятий.
1.	Корпускулярно-волновой дуализм, уравнение Шредингера.	Обоснование корпускулярно-волнового дуализма.
2.	Движение свободной частицы. Волновая функция электронов в кристалле. Образование и заполнение зон электронами.	Применение уравнения Шредингера для описания движения частиц.
3.	Собственные полупроводники. Понятие о дырках. Примесные полупроводники.	Образование и заполнение зон электронами.
4.	Статистика электронов в собственных и примесных полупроводниках.	Число состояний для микрочастицы.
5.	Статистика электронов в металлах. Дрейф электронов.	Построение графиков температурной зависимости концентраций носителей в полупроводниках.
6.	Электропроводность полупроводников и металлов.	Вычисление эффективной массы электрона. Описание дырки.
7.	Равновесные и неравновесные носители заряда.	Температурная зависимость подвижности электронов.
8.	Равновесное состояние р-п-перехода.	Построение энергетических диаграмм контактов металл-полупроводник.
9.	Прохождение тока через р-п-переход. ВАХ р-п-перехода. Барьерная емкость р-п-перехода.	Построение энергетической диаграммы р-п-перехода в равновесном состоянии.
10.	Диффузионная емкость р-п-перехода. Переходные процессы в р-п-переходе. Генерационная и рекомбинационная составляющие тока через р-п-переход.	Построение диаграммы р-п-перехода при прямом и обратном смещениях.
11.	Пробой р-п-перехода. Поверхностные явления в полупроводниках.	Построение ВАХ р-п-перехода. Температурная зависимость ВАХ.
12.	Устройство и принцип действия биполярных транзисторов.	Вычисление барьерной и диффузионной емкостей р-п-перехода.
13.	Статические характеристики биполярных транзисторов. Частотные и импульсные свойства.	Построение диаграмм переходных процессов в р-п-переходах.
14.	Устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.	Построение и анализ статических характеристик биполярных транзисторов.
15.	Статические характеристики полевых транзисторов.	Эквивалентные схемы транзисторов.
16.	МДП – транзисторы.	Построение и анализ статических характеристик полевых транзисторов.
17.	Итоговое занятие.

5. Лабораторный практикум.

№ п/п	№ раздела дисциплины.	Название лабораторных работ.
1.	4.	Определение ширины запрещенной зоны полупроводника. (Лабораторная работа № 1).
2.	1 – 4	Защита лабораторной работы № 1.
3.	5.	Исследование температурной зависимости ВАХ точечного диода. (лабораторная работа № 21).
4.	5.	Исследование барьерной емкости р-п-перехода. (Лабораторная работа № 22).
5.	5.	Исследование переходных процессов в р-п-переходе. (Лабораторная работа № 23).
6.	5.	Защита лабораторных работ №№ 21, 22, 23.
7.	7.	Исследование статических характеристик биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером. (Лабораторная работа № 28).
8.	8.	Исследование статических характеристик полевого транзистора с управляющим р-п-переходом. (Лабораторная работа № 29).
9.	7,8.	Защита лабораторных работ №№ 28, 29.

6. Учебно – методическое обеспечение дисциплины.

6.1. Рекомендуемая литература

а) основная литература:

1. Г. И. ЕПИФАНОВ. Физика твердого тела. М. Высшая школа, 1977.

2. Г. И. ЕПИФАНОВ, Ю. А. МОМА. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВ радио. 1979

3. Г. И. ЕПИФАНОВ, Ю. А.МОМА. Твердотельная электроника. М. Высшая школа, 1986.

б) дополнительная литература:

1.  И. М. ВИКУЛИН, В. И. СТАФЕЕВ. Физика полупроводниковых

приборов. М. Советское радио. 1980.

2. И. П. СТЕПАНЕНКО. Основы микроэлектроники. М. Советское радио.1990

3. Методические указания к выполнению лабораторных работ кафедры

  ФОЭТ. М. МИЭМ. 2007 – 2011 гг.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины.

На кафедре ФОЭТ имеется специализированная лаборатория,

оборудованная 10 универсальными исследовательскими стендами,

позволяющими одновременно всей студенческой группе выполнять

лабораторную работу по программе лабораторного практикума.

Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по подготовке инженеров по специальностям: 200800 “Проектирование и технология радиоэлектронных средств” и 220500 “Проектирование и технология электронно-вычислительных средств”.

Программу составил ТЮШАГИН В. Н., к. т.н., доцент каф. «Электроника и наноэлектроника».