РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«Физика полупроводниковых приборов»
Томск – 2005
I. Oрганизационно-методический раздел
1. Цель курса
Цель курса - дать достаточно полное представление о физических основах (принципах) работы современных полупроводниковых приборов, действие которых основано на свойствах контакта металл-полупроводник, p-n перехода, гетероперехода, структуры металл-диэлектрик полупроводник, более сложных (транзисторных) структур, включающих названные, однородных структур с междолинным переносом и некоторых других.
2. Задачи учебного курса
Наиболее важные задачи учебного курса:
- показать связь основных, выполняемых полупроводниковыми приборами функций (преобразование, перестройка, усиление, переключение, генерация сигналов и др.) с фундаментальными (вольт-амперной, вольт-фарадной и др.) физическими характеристиками полупроводниковых структур;
- показать фундаментальную роль энергетического спектра полупроводниковой структуры в реалиации её приборных характеристик;
- особое внимание уделить связи параметров конкретных приборов (детекторных, параметрических, настроечных, туннельных, лавинно-пролётных и др. диодов, биполярных, гетеробиполярных и полевых транзисторов) со свойствами материала, конструкцией и технологией прибора;
- показать пути улучшения параметров (особенно повышения рабочих частот, эффективности приборов, уровня выходной мощности, диапазона рабочих температур и т. д.) на основе использования новых материалов и новых технологий.
3. Требования к уровню освоения курса
Освоение курса физики полупроводниковых приборов предполагает формирование у студентов:
- чёткого представления о принципах действия важнейших полупроводниковых приборов (прежде всего диодов и транзисторов) и их параметрах; о связи параметров приборов со свойствами материала, физическими процессами в полупроводниковых структурах, их конструкцией и технологией изготовления; о путях улучшения параметров за счёт использования новых материалов (новых соединений, твёрдых растворов, гетерострур и сверхрешёток на их основе);
- навыков измерения и анализа наиболее важных харакеристик диодов и транзисторов, (с учётом практики лабораторных работ по курсу), простейших расчётов параметров приборов, подбора материала и конструкции для достижения необходимых параметров.
II. Содержание курса
Развитие полупроводниковой электроники (историческая справка). Современная полупроводниковая электроника, ее роль в научно-техническом прогрессе. Представление о классификации приборов и предмете курса.
№ | Тема | Содержание |
1. | Контакт металл-полу-проводник (КМП) и приборы на его основе | Энергетическая диаграмма КМП. Термоэлектронная эмиссия с поверхности полупроводника (П) и металла (М). Контактная разность потенциалов. Контакты М с полупроводниками п - и р-типа. Свойства обедненного слоя в КМП. Прохождение тока через КМП: эффект Шоттки, диодная и диффузионная теории выпрямления, туннелирование в КМП с барьером Шоттки (БШ). Особенности реальных КМП с БШ. Модель Бардина: промежуточный слой и поверхностные электронные состояния. Высота барьера в реальных КМП. Вольт-амперная характеристика реальных КМП. Омические (невыпрямлянщие) КМП; теоретические и реальные зависимости сопротивления контакта от параметров П. Принципы создания реальных омических контактов. КМП с БШ на малом переменном сигнале. Эквивалентная схема КМП с БШ. Общие требования к материалу и конструкции полупроводниковых приборов (ПП) на основе КМП. Паразитные параметры ПП. Диоды с барьером Мотта. Полупроводниковые сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды на основе КМП с БШ. Детекторные и варакторные (настроечные, параметрические) диоды. (16 ч.) |
2. | Электронно-дырочные переходы (р-п пере-ходы) | Характеристики потенциального барьера. Вольт-амперные характеристики идеального p-n перехода. Особенности реальных p-n переходов. Пробой в p-n переходе. P-n переход на малом переменном сигнале. Переходные процессы в p-n переходе. Туннельный диод (принцип действия, вольт-амперная характеристика, анализ эквивалентной схемы.) Обращённый диод. P-i-n-структуры: ВАХ, эквивалентная схема. Переключательные и ограничительные диоды на основе p-i-n-структур. (12 ч.) |
3. | Приборы с неустойчивостью на переменном сигнале (генераторные диоды) | Лавинно-пролётные диоды (ЛПД). Принцип действия ЛПД. Особенности характеристик ЛПД в условиях ограничения работы максимально допустимым разогревом и максимально допустимым полем. Влияние материала (GaAs, Si) и конструкции прибора на работу ЛПД. Различные типы ЛПД. Диоды Ганна (приборы на эффекте междолинного переноса). Отрицательная дифферен-циальная подвижность (ОДП). Неустойчивость тока в структурах с ОДП. Режим обогащенного слоя; режим пролета домена. Основные характеристики ДГ: рабочая частота, генерируемая мощность, КПД; реальные и фундаментальные ограничения. (6 ч.) |
4. | Гетеропереходы | Развитие представлений о гетеропереходах. Анизотипные и изотипные гетеропереходы: энергетические диаграммы и механизмы токопохождения. Инжекционные свойства анизотипных гетеропереходов. Гетероструктурные системы на основе полупроводников А3В5: принципы подбора практических гетероструктурных систем, гетероструктуры на основе тройных и четверных твёрдых растворов. Двумерный электронный газ в гетеропереходах и возможные приложения. Сверхрешётки, резонансное туннелирование в сверхрешётках, резонансно-туннельные диоды. (4 ч.) |
5. | Биполярные транзисторы | Структура (геометрия) БТ. Планарный транзистор. Принцип действия БТ. Токи в тран-зисторе. Коэффициент усиления тока БТ, реальные факторы, влияющие на коэффициент усиления. БТ с эмиттерным гетеропереходом. Статические (входные и выходные) характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмитте-ром. Системы параметров транзистора (y-z-h - системы). БТ на переменном сигнале. Эквивалентная схема транзистора. Частотные свойства БТ, способы (пути) повышения предельной частоты БТ; дрейфовый транзистор. Конструктивные пути создания СВЧ БТ и мощных БТ. (12 ч) |
6. | Полевые транзисторы с p-n переходом и бар. Шоттки в качестве затвора | Принцип действия и конструкция ПТ. Основные особенности и достоинства. в сравнении с БТ. Статические характеристики ПТ. Основные характеристики и параметры ПТ в усилительном режиме. Пути повышения крутизны ПТ. Работа ПТ в режиме ключа. Частотные свойства ПТ (эквивалентная схема). Пути повышения предельной частоты и мощности ПТ и уменьшения паразитной обратной связи. Особенности характеристик БТ с коротким каналом: эффект насыщения в ПТ с затвором Шоттки, эффект баллистического переноса электронов. ПТ с высокой подвижностью электронов (HEMT). (8 ч.) |
7. | Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-ПТ) | Свойства структуры металл-диэлектрик-полупроводник: режимы аккумуляции, истощения и инверсии; эффект поля. Энергетическая диаграмма и вольт-фарадная характкристика МДП-структуры. Пороговое напряжение и потенциал инверсии. Подвижный заряд в инверсионном слое. Конструкция и принцип работы МДП-ПТ. Статические характеристики МДП-ПТ. Работа ПТ в режиме ключа и усилительном режиме. Параметры усилительного режима: крутизна, выходная проводимость, пороговое напряжение. Частотные свойства МДП-ПТ, эквивалентная схема, факторы, определяющие предельную частоту МДП-ПТ. Короткоканальные эффекты в МДП-ПТ, принцип "масштабирования" при конструировании МДП-ПТ. Типы МДП-ПТ. (10 ч.). |
III. Распределение часов курса по темам и видам работ
№ пп | Наименование темы | Всего часов | Аудиторные занятия (час) | Самостоя-тельная работа | ||
в том числе | ||||||
лекции | семинары | лаборатор. занятия | ||||
1 | Контакт металл-полу-проводник (КМП) и приборы на его основе | 24 | 16 | 2 | 6 | |
2 | Электронно-дырочные перехо-ды (р-п переходы) | 20 | 12 | 2 | 6 | |
3 | Приборы с неустойчивостью на переменном сигнале (генераторные диоды) | 6 | 6 | |||
4 | Гетеропереходы | 4 | 4 | |||
5 | Биполярные транзисторы | 20 | 12 | 2 | 6 | |
6 | Полевые транзисторы с p-n переходом и барьером Шоттки в качестве затвора | 14 | 8 | 2 | 4 | |
7 | Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-ПТ) | 18 | 10 | 2 | 6 | |
ИТОГО | 106 | 68 | 10 | 28 |
IV. Форма итогового контроля:
1 семестр – экзамен
2 семестр - зачёт
V. Учебно-методическое обеспечение курса
1. Рекомендуемая литература (основная):
1. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. В 2-x книгах. Перев. с англ. 2-ое перераб. и доп. издание.- М: Мир, 1984.
2. 2. . Физика полупроводниковых приборов. 2-ое перераб. и доп. издание. Томск, 2с.
3. З. , . Физика полупроводниковых приборов. - М.: "Сов. Радио", 1с.
2. Рекомендуемая литература (дополнительная)
1. М. Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия. Изд-во Мир, М., 1991.
2. Э. X. Родерик. Контакты металл-полупроводник.- М.: Радио и связь, 1982.
3. , . Полупроводниковые приборы.- М.: Высшая школа, 1с.
Автор
, д. т.н., профессор
