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 направления 210100.62 «Электроника и наноэлектроника», специализации «Твердотельная электроника и микроэлектроника» подготовки бакалавра
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
Целью дисциплины «Физика полупроводников» является формирование систематических знаний о явлениях и процессах в полупроводниках, использующихся при разработке приборов твердотельной электроники. Задачи дисциплины состоят в:
• изучении зонной теории и статистики свободных носителей в полупроводниках;
• изучении неравновесных носителей заряда в полупроводниках;
• изучении кинетических, оптических и поверхностных явлений в полупроводниках;
• изучении контактных явлений в полупроводниках;
• приобретение практических умений анализа процессов, происходящих в полупроводниках и возможностей использовать эти явления для создания приборов твердотельной электроники;
• ознакомление с современным научно-техническим уровнем развития физики полупроводников.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина «Физика полупроводников» относится к вариативной части математического и естественнонаучного цикла ООП (Б.2).
Дисциплина требует наличия у студентов знаний, умений и навыков, приобретенных в результате освоения дисциплин «Физика» (2-4 семестр) и «Математика» (1-4 семестр). Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями:
• способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяя методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
• способностью представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики (ПК-1);
• способностью выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математичекий аппарат (ПК-2);
• способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);
• способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубжной науки, техники и технологии (ПК-6);
• готовностью анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций (ПК-21).
Дисциплина «Физика конденсированного состояния»:
• имеет междисциплинарные связи с дисциплинами «Физика», «Физика конденсированного состояния», «Материалы электронной техники» и изучается в 4, 5 и 6 семестрах;
• является предшествующей для изучения дисциплин «Физические основы электроники», «Наноэлектроника», «Твердотельная электроника», «Квантовая и оптическая электроника».
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование и закрепление следующих компетенций:
• способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяя методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
• способностью представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики (ПК-1);
• способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать фундаментальные физические закономерности, определяющие свойства полупроводников;
уметь применять полученные знания для расчетов физических характеристик полупроводников и теоретического анализа экспериментальных результатов;
владеть информацией о современном состоянии и методах исследований в области физики полупроводников.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Виды учебной работы | Всего часов/ зач. ед. | Семестры | ||
4 | 5 | 6 | ||
Общая трудоемкость дисциплины | 450/12,5 | |||
Аудиторные занятия (всего) | 288/8 | 72/2 | 144/4 | 72/2 |
В том числе: | ||||
Лекции (Л) | 144/4 | 36/1 | 72/2 | 36/1 |
Практические занятия (ПЗ) | 144/4 | 36/1 | 72/2 | 36/1 |
Лабораторные работы (ЛР) | - | - | - | - |
Самостоятельная работа (всего) (СР) | 90/2,5 | 36/1 | 36/1 | 18/0,5 |
В том числе: | ||||
Курсовая работа (КР) | 24/0,67 | 24/0,67 | - | - |
Расчетно-графические работы | - | - | - | - |
Реферат | - | - | - | - |
Другие виды самостоятельной работы: | ||||
Подготовка к текущим занятиям, коллоквиумам | 55/1,83 | 12/0,33 | 36/1 | 18/0,5 |
Виды итогового контроля : зачет(З) экзамен | 72/2 | З | 36/1 | 36/1 |
Общая трудоемкость часы зачетные единицы | 450 | 108 | 216 | 126 |
12/5 | 3 | 6 | 3,5 |
5.Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1 | Введение | Предмет дисциплины и ее задачи. Основные этапы развития физики полупроводников. Связь дисциплины с другими разделам физики. |
2 | Основы зонной теории полупроводников | Обобществление электронов в твердых телах. Уравнение Шредингера для кристалла. Адиабатическое и одноэлектронное приближения. Волновая функция электрона в кристалле. Теорема Блоха. Приближение сильно связанных электронов. Свойства энергетического спектра электронов, энергетические зоны. Дисперсионные зависимости. Первая зона Бриллюэна. 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. |
3 | Статистика электронов и дырок в полупроводниках | 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 | Неравновесные носители заряда в полупроводниках | Генерация и рекомбинация носителей заряда. Равновесные и неравновесные носители заряда в полупроводниках. Неравновесная функция распределения. Квазиуровни Ферми. Время жизни носителей заряда. |
5 | Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда в полупроводниках | 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. |
6 | Механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках | Кинетическое уравнение Больцмана. Приближение времени релаксации. Эффективное сечение рассеяния. Типы центров рассеяния. Рассеяние на тепловых колебаниях решетки, на ионах примеси, на атомах примеси и дислокациях. |
7 | Кинетические явления в полупроводниках | Дрейф носителей заряда в электрическом поле. Решение кинетического уравнения Больцмана. Электропроводность полупроводников. Зависимость подвижности носителей и электропроводности полупроводников от температуры при различных механизмах рассеяния. Дрейф в сильном электрическом поле. Эффект Холла. Постоянная Холла и ее связь с параметрами полупроводников. Температурная зависимость постоянной Холла. Применение эффекта Холла. Термоэлектрические явления. Эффект Зеебека. Эффект Томсона. Эффект Пельтье. Термомагнитные эффекты. |
8 | Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда | Уравнение непрерывности. Диффузионный и дрейфовый токи. Соотношение Энштейна. Совместная диффузия неравновесных носителей заряда в случае биполярной проводимости. Эффективный коэффициент диффузии. Диффузионная длина. Диффузия неравновесных носителей в случае монополярной проводимости. Дебаевская длина экранирования и максвелловское время релаксации. |
9 | Оптические явления в полупроводниках | Поглощение света. Коэффициент поглощения. Собственное поглощение. Край полосы собственного поглощения. Прямые и непрямые переходы. Влияние различных факторов на спектр собственного поглощения. Экситонное поглощение. Поглощение свободными носителями заряда. Примесное поглощение. Поглощение на тепловых колебаниях кристаллической решетки. Коэффициент отражения. Комплексная диэлектрическая проницаемость и комплексная электропроводность в оптическом диапазоне электромагнитных полей. Отражение от поверхности полупроводников. Плазменный резонанс. Излучение света полупроводниками. Фотопроводимость полупроводников. |
10 | Поверхностные явления в полупроводниках | Поверхностные состояния в полупроводниках. Заряд в приповерхностной области полупроводника. Приповерхностный изгиб зон. Области обогащения, обеднения и инверсии. Режим обеднения в приповерхностной области полупроводника. Толщина обедненной области. Режим обогащения в приповерхностной области полупроводника. Дебаевская длина экранирования в случае слабого и сильного обогащения. Поверхностная рекомбинация. Формула Холла-Шокли-Рида. Скорость поверхностной рекомбинации. Граничные условия в уравнениях непрерывности. Влияние приповерхностного изгиба зон на скорость поверхностной рекомбинации. Эффект поля. Поверхностная проводимость полупроводников. |
11 | Контактные явления в полупроводниках | Контакты полупроводников с другими твердыми телами. Структура металл – диэлектрик – полупроводник (МДП). Равновесная энергетическая диаграмма. Распределение потенциала в приповерхностной области полупроводника. Напряжение плоских зон. Обогащение, обеднение и инверсия в полупроводнике. Дифференциальная емкость МДП–структуры. Низкочастотная, высокочастотная и неравновесная вольт-фарадные характеристики (ВФХ) МДП-структуры. Влияние контактной разности потенциалов между металлом и полупроводником, фиксированного заряда в диэлектрике и заряда ловушек границы раздела диэлектрик – полупроводник на ВФХ МДП-структур. |
5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | № № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых дисциплин | ||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | ||
1 | Физ. основы электроники | + | + | + | + | + | + | + | + | |||
2 | Наноэлектроника | + | + | + | + | + | + | + | + | + | ||
3 | Твердотельная электроника | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | |
4 | Квантовая и оптическая электроника | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
5.3. Разделы дисциплины и виды занятий
а) 4 семестр
№ п/п | Раздел дисциплины | Л | ПЗ | ЛР | СР | Всего |
Часы | ||||||
1 | Введение | 1 | - | - | 1 | |
2 | Основы зонной теории полупроводников | 12 | 12 | - | 8 | 32 |
3 | Статистика электронов и дырок в полупроводниках | 12 | 12 | - | 24 | 48 |
4 | Неравновесные носители заряда в полупроводниках | 3 | 4 | - | 2 | 9 |
5 | Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда в полупроводниках | 8 | 8 | - | 2 | 18 |
б) 5 семестр
№ п/п | Раздел дисциплины | Л | ПЗ | ЛР | СР | Всего |
часы | ||||||
6 | Механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках | 8 | 8 | - | 4 | 20 |
7 | Кинетические явления в полупроводниках | 20 | 20 | - | 10 | 50 |
8 | Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда | 10 | 10 | - | 5 | 25 |
9 | Оптические явления в полупроводниках | 20 | 20 | - | 10 | 50 |
10 | Поверхностные явления в полупроводниках | 14 | 14 | - | 7 | 35 |
в) 6 семестр
№ п/п | Раздел дисциплины | Л | ПЗ | ЛР | СР | Всего |
часы | ||||||
11 | Контактные явления в твердых телах | 36 | 36 | - | 18 | 90 |
6. Лабораторный практикум
Не предусмотрен
7. Курсовая работа (4семестр).
Тематика курсовых работ включает в себя расчеты температурных зависимостей концентраций и положения уровня Ферми в различных полупроводниках в широком интервале концентраций различных легирующих примесей и в широких температурных интервалах.
8. 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.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
• Компьютерный класс на 12 мест, оснащенный 12 персональными компьютерами на базе процессоров Intel Pentium 4.
10. 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______________________________
