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
«Физика полупроводников»
для специальности 210104.65 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» подготовки специалиста
Автор программы: доц., к. т.н. *****@***ru.
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. Цель и задачи дисциплины.
Цель преподавания дисциплины состоит в формировании систематических знаний о явлениях и процессах в полупроводниках, использующихся при разработке приборов твердотельной электроники.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
а) знать фундаментальные физические закономерности, определяющие свойства полупроводников;
б) уметь проводить оценочные расчеты физических характеристик полупроводниковых материалов;
в) иметь представление о современном состоянии и методах исследований в области физики полупроводников.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.
Виды учебной работы | Всего Часов | Семестр |
Общая трудоемкость дисциплины | 170 | 5 |
Аудиторные занятия | 102 | 5 |
Лекции (Л) | 51 | 5 |
Практические занятия (ПЗ) | 17 | 5 |
Лабораторные работы (ЛР) | 34 | 5 |
Самостоятельная работа | 68 | 5 |
Виды контроля: а) промежуточный - два домашних задания, две контрольные раб. б) итоговый – экзамен | 5 5 |
4. Содержание дисциплины.
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий.
№ п/п | Раздел дисциплины | Л | ПЗ | Лтттттьт Л ЛР |
1 | Введение | * | ||
2 | Основы зонной теории полупроводников | * | * | * |
3 | Статистика электронов и дырок в полупроводниках | * | * | * |
4 | Неравновесные носители заряда в полупроводниках | * | * | * |
5 | Механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках | * | * | |
6 | Кинетические явления в полупроводниках | * | * | * |
7 | Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда в полупроводниках | * | * | * |
8 | Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда | * | * | |
9 | Поверхностные явления в полупроводниках | * | * |
4.2. Содержание разделов дисциплины.
4.2.1. Введение (1 час)
Предмет дисциплины и ее задачи. Основные этапы развития физики полупроводников. Связь дисциплины с другими разделам физики.
4.2.2. Основы зонной теории полупроводников (8 часов)
Обобществление электронов в твердых телах. Уравнение Шредингера для кристалла. Адиабатическое и одноэлектронное приближения. Приближение сильно связанных электронов. Волновая функция электрона в кристалле. Теорема Блоха. Первая зона Бриллюэна. Свойства энергетического спектра электронов, энергетические зоны. Дисперсионные зависимости. Групповая скорость движения электронов. Движение электронов под действием внешней силы. Эффективная масса носителей заряда.
Периодические граничные условия. Число состояний в зоне. Заполнение зон электронами и деление тел на металлы, диэлектрики и полупроводники. Дырки в полупроводниках. Примесные атомы в полупроводниках. Водородоподобная модель. Донорные и акцепторные полупроводники.
4.2.3. Статистика электронов и дырок в полупроводниках (9 часов)
Функции плотности состояний для нижней части зоны проводимости и верхней части валентной зоны. Функция распределения Ферми – Дирака. Эффективная масса плотности состояний. Полная функция распределения. Вырожденные и невырожденные полупроводники. Функция распределения Максвелла – Больцмана.
Зависимость концентраций электронов и дырок в полупроводнике от энергии Ферми. Энергия Ферми и концентрация свободных носителей заряда в собственном полупроводнике.
Примесные полупроводники. Мелкая донорная примесь. Концентрация свободных носителей заряда и энергия Ферми в области слабой ионизации примеси и в области истощения примеси. Переход к собственной проводимости. Акцепторные полупроводники. Сильно легированные полупроводники. Компенсированные полупроводники. Многозарядные примесные центры.
4.2.4. Неравновесные носители заряда в полупроводниках (3 часа)
Генерация и рекомбинация носителей заряда. Равновесные и неравновесные носители заряда в полупроводниках. Неравновесная функция распределения. Квазиуровни Ферми. Время жизни носителей заряда.
4.2.5. Механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках (6 часов)
Кинетическое уравнение Больцмана. Приближение времени релаксации. Эффективное сечение рассеяния. Типы центров рассеяния. Рассеяние на ионах примеси, на атомах примеси и дислокациях. Понятие о нормальных колебаниях решетки. Фононы. Рассеяние на тепловых колебаниях решетки.
4.2.6. Кинетические явления в полупроводниках (9 часов)
Дрейф носителей заряда в электрическом поле. Электропроводность полупроводников. Зависимость подвижности носителей и электропроводности полупроводников от температуры. Дрейф в сильном электрическом поле. Эффект Холла. Термоэлектрические явления.
4.2.7. Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда в
полупроводниках (6 часов)
Виды рекомбинации. Время жизни при межзонной рекомбинации при низком и высоком уровнях возбуждения. Время жизни при Оже –рекомбинации. Рекомбинация через ловушки. Вывод и анализ формулы Холла – Шокли – Рида.
4.2.8. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда (6 часов)
Уравнение непрерывности. Диффузионный и дрейфовый токи. Соотношение Энштейна. Движение неравновесных носителей в случае монополярной проводимости. Дебаевская длина экранирования и максвелловское время релаксации. Совместная диффузия неравновесных носителей заряда в случае биполярной проводимости. Эффективный коэффициент диффузии. Диффузионная длина.
4.2.9. Поверхностные явления в полупроводниках (3 часа)
Приповерхностный изгиб зон в полупроводниках. Эффект поля. Поверхностная рекомбинация. Влияние поверхностной рекомбинации на распределение неравновесных носителей заряда.
4.3. Понедельный план проведения занятий лекционных и практических.
№ недели | Лекционные занятия | Практические занятия |
1 | Обобществление электронов в твердых телах. Уравнение Шредингера для кристалла. Волновая функция электрона в кристалле. Первая зона Бриллюэна. | Зонная структура твердых тел. Эффективная масса электрона. |
2 | Энергетический спектр электронов в кристалле. Дисперсионные зависимости. Эффективная масса носителей заряда. | |
3 | Число состояний в зоне. Заполнение зон электронами и деление тел на металлы, диэлектрики и полупроводники. Собственные и примесные полупроводники. | Число разрешенных состояний в зоне. Собственные и примесные полупроводники. Понятие о дырке. |
4 | Функция плотности состояний. Функции распределения Ферми – Дирака и Максвелла – Больцмана. Полная функция распределения. | |
5 | Зависимость концентрации электронов и дырок в полупроводнике от энергии Ферми. Температурные зависимости концентраций свободных носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках. | Расчет температурной зависимости концентрации свободных носителей заряда в полупроводниках. |
6 | Сильно легированные и компенсированные полупроводники Многозарядные примесные центры. | |
7 | Генерация и рекомбинация носителей заряда. Равновесные и неравновесные носители. Время жизни носителей заряда. | Время жизни основных, неосновных и неравновесных носителей заряда. |
8 | Кинетическое уравнение Больцмана. Приближение времени релаксации. Эффективное сечение рассеяния. Типы центров рассеяния. | |
9 | Нормальные колебания кристаллической решетки. Фононы. Рассеяние на фононах. | Время релаксации при различных типах рассеяния. |
10 | Дрейф носителей заряда в электрическом поле. Электропроводность полупроводников. | |
11 | Дрейф в сильном электрическом поле. Эффект Холла. | Зависимость проводимости полупроводников от температуры и уровня легирования. |
12 | Термоэлектрические явления | |
13 | Виды рекомбинации. Время жизни при межзонной и Оже - рекомбинации. | Эффект Зеебека. |
14 | Рекомбинация через ловушки. Вывод и анпализ формулы Холла – Шокли – Рида. | |
15 | Уравнение непрерывности. Соотношение Энштейна. Дебаевская длина экранивования и максвелловсеое время релаксации. | Зависимость времени жизни неравновесных носителей заряда от температуры и уровня легирования. |
16 | Совместная диффузия электрон-дырочных пар. Эффективный коэффициент диффузии. Диффузионная длина. | |
17 | Поверхностные явления в полупроводниках | Скорость поверхностной рекомбинации. . |
.
5. Лабораторные работы.
№ п/п | Ррррррр № раздела дисциплины | С Наименование лабораторных работ ННННН Н |
1 | 4.2.2. 4.2.3. | Определение ширины запрещенной зоны полупроводника |
2 | 4.2.6. | Эффект Холла |
3 | Ррррррр 4.2.4. 4.2.7. | Определение времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводнике |
6. Курсовая работа
Не предусмотрена
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература:
1. , . Твердотельная электроника. – М.: Высшая школа, 1986;
2. Шалимова полупроводников. – М.: Энергоатомиздат, 1985;
3. . Физические основы твердотельной электроники. Учебное пособие. М.: Высшая школа, 2008.
б) дополнительная литература:
1. Ансельм в теорию полупроводников. – М.: Наука, 1987;
2. Полупроводники. – М., Мир, 1982;
3. Бонч-, Калашников полупроводников. – М.: Наука, 1977;
4. Ю П., Основы физики полупроводников. – М.: Физматлит, 2002.
Системные программные средства: Microsoft Windows XP
Прикладные программные средства Microsoft Office 2007 Pro, FireFox
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:
не используются
д) рекомендованная литература для самостоятельной работы:
Методические указания для самостоятельной работы студентов. – М.: Изд. МИЭМ, 1992.
е) учебно-методические материалы:
1. Физика конденсированного состояния: Методические указания к курсовым работам по курсу «Физика конденсированного состояния»/ Моск. Гос. Ин-т электроники и математики; Сост. . М., 2012.
2. Экспериментальное определение ширины запрещенной зоны полупроводника: Методические указания к выполнению лабораторной работы./ МИЭМ; Сост. , . М., 2011.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
• Компьютерный класс на 12 мест, оснащенный 12 персональными компьютерами на базе процессоров Intel Pentium 4.
9. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
В интерактивных формах проводятся практические занятия. В качестве оценочного средства для текущего контроля успеваемости проводится написание студентами на семинаре коротких контрольных работ по основам пройденного на лекциях теоретического материала с последующим обсуждением, которое проходит в форме конференции. Активность, правильность высказываемых мнений, способность логического объяснения учитываются при выставлении оценки контрольных работ.
Автор программы______________________________
