Программа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский физико-технический институт

(государственный университет)

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

___ декабря 2008 г.

ПРОГРАММА

по курсу: ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И НАНОСТРУКТУР

по направлению: 511600

факультет: ФНТИ

кафедра: физики и физического материаловедения

курс: 5

семестр: 10

лекции: 32 часа

практические (семинарские) занятия: 32 часа

лабораторные занятия: нет

самостоятельная работа: 2 часа в неделю

экзамен: 10 семестр

зачет: нет

ВСЕГО ЧАСОВ: 64

Программу и задание составил:

к. ф.-м. н., доц.

Программа утверждена на заседании кафедры физики и

физического материаловедения ___ декабря 2008 года

Заведующий кафедрой

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И НАНОСТРУКТУР

1. Зонная структура твердых тел. Приближения сильной и слабой связи. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Электроны и дырки. Движение электрона в возмущенном периодическом потенциале. Зоны Бриллюэна. Понятие эффективной массы. Закон дисперсии носителей заряда в полупроводниках. Элементарные полупроводники и полупроводники на основе соединений III и V групп. Структура зон некоторых полупроводников.

2. Примеси и дефекты в полупроводниках. Примеси замещения, атомы в междоузлиях и вакансии. Доноры и акцепторы. Трехвалентные и пятивалентные примеси в полупроводниках IV группы. Уровни энергии мелкой примеси, водородоподобная модель. Энергия активации примеси. Примесная зона. Основные механизмы генерации и рекомбинации носителей заряда.

3. Статистика электронов в полупроводниках. Плотность состояний, эффективная масса плотности состояний. Концентрация электронов и дырок. Собственный полупроводник. Примесный полупроводник. Зависимость положения уровня Ферми от температуры.

4. Кинетические явления в полупроводниках. Рассеяние электронов на дефектах в кристалле. Время релаксации импульса. Подвижность носителей заряда. Электропроводность. Минимальная металлическая проводимость. Эффект Холла. Магнетосопротивление. Тензор электропроводности в магнитном поле. Термоэдс и термоэлектрические явления.

5. Элементы кинетической теории явлений переноса. Кинетическое уравнение Больцмана для электронов в кристалле и явления переноса. Некоторые механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках. Время релаксации при рассеянии на фононах. Рассеяние на ионизованных примесях. Рассеяние на точечных дефектах.

6. Неупорядоченные полупроводники. Квантовые эффекты в проводимости. Слабая локализация. Квантовые поправки за счет электрон-электронного взаимодействия. Локализация в крупномасштабном флуктуационном потенциале. Элементы теории перколяции.

7. Переходы металл – диэлектрик. Перколяционный переход. Переход Андерсона. Элементы теории скейлинга. Переход Мотта. Мезоскопика. Универсальные флуктуации проводимости. Некогерентная мезоскопика. Экспериментальные наблюдения мезоскопических флуктуаций.

8. Прыжковая проводимость. Локализованные состояния и переходы между ними. Сетка Миллера –Абрахамса. Прыжки на ближайших соседей. Проводимость с переменной длиной прыжка. Закон Мотта. Закон Эфроса-Шкловского.

9. Контактные явления в полупроводниках. Контакт металл – полупроводник. Контактная разность потенциалов. Изгиб зон вблизи контакта, барьер Шоттки. Обогащенный и обедненный слои. P –n переход. Квазиуровень Ферми и неравновесные концентрации электронов и дырок в р - n переходе. Гетеропереходы.

10. Приборы на основе р –n перехода. Вольтамперная характеристика р - n перехода. Барьерная емкость. P –n переход при переменном напряжении. Туннельный эффект в р –n переходах. Туннельный диод (конструктция, принцип действия и применение). Биполярный полупроводниковый транзистор, принцип действия.

11. Полевой транзистор. МДП структура. Эффект поля. Двумерный электронный газ. Устройство полевого транзистора. Транзистор со встроенным каналом. Транзистор с индуцированным каналом. Основные характеристики полевого транзистора.

12. Оптические свойства полупроводников. Собственное поглощение. Прямые и непрямые переходы. Примесное поглощение и фотопроводимость. Светодиоды и полупроводниковые лазеры. Фотоприемники, фотоприемники с блокированной проводимостью по примесной зоне.

13. Элементы памяти на основе полупроводников. Флэш память. Эффект Овшинского. Одноэлектронный транзистор. Гигантский магнеторезистивный (ГМР) эффект. Спин-вентильная структура. Приборы на основе ГМР. Память на магнеторезистивном эффекте (MRAM). Туннельный магнеторезистивный эффект.

14. Спинтроника. Разбавленные магнитные полупроводники. Спиновый транзистор, различные схемы спинового транзистора. Современное состояние исследований магнитных полупроводников.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бонч-,. Физика полупроводников. М.: Наука. 1990.

2. Введение в физику полупроводников. М.: Наука. 1978.

3. Электроны в неупорядоченных средах. М Физматлит. 2005.

4. Мейлихов физика полупроводников. МФТИ. 2006.

5 Зи. С. Физика полупроводниковых приборов. М Мир. 1984.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

6. Полупроводники. М. Издательство иностранной литературы, 1962.

7. Абрикосов А. А. Основы теории металлов. М Наука. 1987.

8. Электронные свойства двумерных систем. - М.: Мир, 1985.

9. Шкловский Б. И.. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979

10. . Физика полупроводниковых приборов, М: Наука 2008.

ЗАДАЧИ

Найти расстояние между уровнями энергии в кристалле размером 10-5 см. При какой температуре спектр электронов в зоне можно считать квазинепрерывным. Движение шарика на стиральной доске под действием внешней горизонтальной силы и понятие эффективной массы электронов. Определить закон изменения со временем концентрации носителей заряда в материале n – типа, если после выключения источника генерации в момент времени t = 0 рекомбинация идет со скоростью , а – const. Используя формулы для энергии связи электрона в атоме водорода и боровского радиуса получить соответствующие формулы для примесного центра, выполнить оценки для InSb m* = 0.015 m0, e =16. Найти положение уровня Ферми и температурную зависимость концентрации носителей заряда в собственном полупроводнике в невырожденном случае. При 400 К концентрация носителей заряда равна см-3, а при 350 К см-3 Найти ширину запрещенной зоны материала, считая, что она меняется по линейному закону. Найти температурный интервал, в котором концентрация электронов постоянна и равна концентрации доноров для InSb. m* = 0.015 m0, Eg = 0.26 eV при Т=0 и ее температурный коэффициент eV/град., Ed = 0.001 eV, Nd = 2 1015 cm-3, вырождение донорного уровня -2. Подвижность электронов в чистом Ge при 300 К равна 3800 см2/Вс. Найти удельное сопротивление этого материала при 300 К и 30 К, считая, что подвижность меняется с температурой по закону , а – постоянная. Масса электронов 0.56 m0, а дырок 0.37 m0. Ширина запрещенной зоны Eg = 0.785 eV при Т=0 и ее температурный коэффициент 4 10-3 eV/град. Отношение подвижностей принять постоянным . Вычислить коэффициент диффузии для электронов в случае полного вырождения. Подвижность 300 см2/Вс, n = 1018 cm-3, m* = 0.2 m0. Подвижность электронов в InSb при 20К равна 2 105 см2/Вс. Время сбоя фазы определяется рассеянием на фононах. Оценки подвижности при рассеяния только на фононах дают значение 108 см2/Вс. Найти величину квантовой поправки к проводимости за счет слабой локализации. p-n переход изготовлен из материала с собственной концентрацией 2 1011 см-3. концентрации доноров и акцепторов по обе стороны перехода одинаковы 6 1017 см-3. Найти величину потенциального барьера на переходе. Вычислить величину изгиба зон Ge, на поверхности которого адсорбированы доноры с плотностью 109 см-2. Считать доноры полностью ионизованными , n< 2 1013 см-2,e=16. Найти вольт-амперную характеристику полевого транзистора с барьером Шоттки.