Физические основы электроники

Белорусский государственный университет

Ректор Белгосуниверситета

________________

«____» ___________ 200_ г.

Регистрационный № ____

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебная программа для специальности

G4

Математическая электроника

МИНСК

2006

Составитель:

– профессор кафедры физики полупроводников и наноэлектроники Белорусского государственного университета, доктор физико–математических наук, старший научный сотрудник.

Рецензент:

– профессор кафедры физики твердого тела Белорусского государственного университета, доктор физико–математических наук, профессор.

Рекомендована

к утверждению в качестве базовой:

Кафедрой уравнений математической физики Белорусского государственного универ -

ситета (протокол от «14 » июня 2006 г.);

Методическим советом механико-математического факультета Белорусского государственного университета (протокол № от « » 2006 г.).

Ответственный за редакцию:

Ответственный за выпуск:

I. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Программа курса "Физические основы электроники " разработана для специализации:  -- Математическая электроника.

Цель данного курса определяется необходимостью формирования у студентов современных представлений о твердотельной электронике, включающих наиболее актуальные аспекты физики и техники основных полупроводниковых материалов и структур, развития полученных при обучении знаний и навыков для последующего обучения и проведения научно-исследовательской работы по соответствующей тематике.

Студентам необходимо сформулировать и разъяснить основные проблемы физики полупроводников и полупроводниковых структур, физические аспекты протекающих в них явлений и процессов и на адекватном уровне их интерпретировать. В настоящем курсе излагаются основные, фундаментальные вопросы физики и техники полупроводников и полупроводниковых структур с акцентом на их физическую сущность, понимание которой является необходимым условием успешной профессиональной деятельности будущего специалиста, который будет работать в области математической электроники.

В разделе «Основы теории полупроводников» рассматриваются фундаментальные свойства кристаллов в контексте реализации в них конкретных химических связей; анализируются явления электропереноса в металлах и полупроводниках; с акцентом на полупроводники излагаются основные сведения о зонной энергетической модели твердых тел; раскрывается физическая сущность принципа запрета Паули и излагаются основы статистики носителей заряда Максвелла и Ферми-Дирака; определяются понятия собственного, примесного и компенсированного полупроводников; рассматривается круг основных явлений, которые характерны для этих материалов; в теоретическом и прикладном аспектах анализируются явления генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводниках, а также процессы диффузии легирующих примесей и носителей заряда в материалах и структурах.

В разделе «Основы физики полупроводниковых приборов» дан краткий анализ основных явлений, протекающих на границе кристалла; подробно рассматриваются вопросы, связанные с работой выхода из металлов, полупроводников и диэлектриков. Рассматривается роль поверхностных состояний и их влияние на зонную структуру и физические свойства полупроводников. При рассмотрении эффекта проникновения внешнего поля в материалы интерпретируется уравнение Пуассона, определяются параметры энергетических барьеров и влияние на них уровня легирования полупроводников. Отдельно выделены вопросы, связанные с физическими основами технологии изготовления электронно-дырочных переходов на базе полупроводниковых материалов. Освещены основные вопросы, касающиеся физики р-п переходов как в обратно,- так и в прямосмещенном режимах. Проанализированы в теоретическом и прикладном аспектах вопросы ударной ионизации и пробоя р-п структур. Детально рассмотрены вольт-амперные характеристики как расчетные, так и для реальных диодов, изготовленных из основных полупроводниковых материалов. В заключение приведены основные сведения и принципе работы и характеристиках основных полупроводниковых диодов.

Отдельно в курсе рассмотрена работа биполярного и полевого транзисторов. С физической точки зрения интерпретированы их основные параметры. Проанализированы принципы работы и параметры основных типов транзисторов.

Кроме двух - и трехслойных структур рассмотрены также вопросы, связанные с функционированием полупроводниковых датчиков, не содержащих р-п переходов. Отдельно на наиболее типичных структурах проанализированы принцип действия и характеристики приборов, обладающих вольт-амперной характеристикой S-типа.

Курс лекций представляет собой систематизированное многоплановое изложение ряда основных направлений твердотельной электроники, включающее основные разделы физики полупроводников и полупроводниковых приборов.

Адаптированный к данному курсу в рамках КСР комплекс вопросов направлен на развитие у студентов навыков активной самостоятельной работы.

Материал курса основан на базовых знаниях и представлениях, заложенных в общих курсах по физике и микроэлектронике. Он является базовым для последующих спецкурсов.

Программа курса составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта и рассчитана на 102 часа. Примерное распределение учебных часов по видам занятий следующее: лекции — 64 часа, семинарские занятия – 32 часа, контролируемая самостоятельная работа студента — 6 часов. Форма отчётности — зачет, экзамен.

На основе данной учебной программы разрабатывается рабочая программа, в которой возможны изменения последовательности изложения содержания отдельных разделов, а также их относительного объема.

II. СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

Введение. Основные, современные тенденции развития микро-, нано - и оптоэлектроники в контексте развития физики и техники полупроводников.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Кристаллы.

Понятие кристалла. Особенности строения кристаллов и их основные свойства. Свободная энергия и энергия связи. Координационное число. Ковалентная связь в кристаллах. Структура алмаза. Ионная связь. Металлическая связь.

2. Металлы и полупроводники

Свободные электроны в металле. Влияние внешнего электрического поля на движение электронов в металле. Подвижность электронов в металле. Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры.

Механизмы образования носителей тока в полупроводниках. Тепловое движение. Энергия ионизации атома. Флуктуации энергии. Длина свободного пробега, диффузионная длина носителей заряда в полупроводниках. Соотношение Эйнштейна.

3.Электропроводность и основы зонной теории полупроводников.

Принцип запрета Паули. Спин электрона. Функции распределения Максвелла-Больцмана и Ферми-Дирака. Химический потенциал. Основные свойства уровня Ферми.

Понятие энергетической зоны. Основные причины возникновения энергетических зон. Энергетические диаграммы спектров валентных электронов металла, полупроводника и изолятора. Условия возникновения электропроводности в полупроводниках. Ширина запрещенной зоны полупроводников. Факторы, влияющие на величину данного параметра. Энергетическая диаграмма полупроводника, находящегося в однородном электрическом поле.

Собственная электропроводность полупроводников.

Донорные и акцепторные примеси в полупроводниках. Понятие дырки и дырочной проводимости. Примесная электропроводность полупроводников. Примесное истощение. Компенсация. Температурная зависимость концентрации носителей заряда в полупроводниках.

4. Генерация, рекомбинация, диффузия и дрейф носителей заряда в полупроводниках.

Тепловая и световая генерация носителей заряда в полупроводниках Рекомбинация носителей заряда. Межзонная рекомбинация и рекомбинация с участием рекомбинационных ловушек.

Время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках. Случай линейной рекомбинации. Ловушки захвата носителей заряда и центры рекомбинации. Безизлучательная и излучательная рекомбинация носителей заряда в полупроводниках. Явление диффузии в полупроводниках. Физический смысл коэффициента диффузии. Плотность диффузионного потока и диффузионный ток в полупроводниках.

ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

5. Барьеры.

Барьер на границе кристалла. Физические причины его формирования. Работа выхода (металл, диэлектрик). Образование двойного заряженного слоя. Методы определения величины работы выхода. Работа выхода в полупроводниках с электронной и дырочной проводимостью.

Поверхностные состояния (уровни Тамма). Изгибы энергетических зон, связанные с присутствием поверхностных состояний. Поверхностный потенциал. Влияние поверхностных состояний на работу выхода в полупроводниках..

6. Основные параметры энергетических барьеров в полупроводниках.

Механизмы проникновения внешнего электрического поля в металл, диэлектрик и полупроводник. Уравнение Пуассона. Распределение электрического поля в барьере. Ширина барьера. Влияние уровня легирования на высоту и ширину энергетического барьера.

7. p-n переход.

Методы получения p-n переходов (сплавление; диффузия; ионная имплантация).

Образование потенциального барьера на границе p-n перехода. Двойной заряженный слой. Основные параметры потенциального барьера. Высота барьера p-n пeрехода. Возникновение обедненного слоя. Распределение электрического поля в потенциальном барьере. Ширина барьера. Равновесие в p-n переходе. Ток насыщения.

Обратно смещенный p-n переход. Распределение напряжения в p-n переходе при приложении обратного смещения. Высота и форма потенциального барьера обратносмещенного p-n перехода. Обратный ток. Описание вольт-амперных характеристик обратносмещенного германиевого p-n перехода; их сравнение с ВАХ для кремниевых и арсенидгаллиевых диодов. Генерационный ток. Барьерная емкость.

Ударная ионизация. Коэффициенты умножения носителей и ударной ионизации. ВАХ лавинного диода. Схема защиты аппаратуры от перенапряжения с помощью использования лавинного диода.

Прямосмещенный p-n переход. Высота потенциального барьера прямосмещенного p-n перехода. Сравнение теоретически рассчитанной вольт-амперной характеристики с реальной ВАХ германиевого диода. Инжекция.

8. Полупроводниковые диоды. (КСР)

Выпрямительные диоды. Стабилитроны. Импульсные высокочастотные и СВЧ диоды. Диоды с накоплением заряда. Диоды Шоттки. Варикапы. Параметрические диоды. Фотоэлектрические приемники. Полупроводниковые источники излучения. Варисторы. Туннельные диоды. Диоды Ганна.

8. Биполярный транзистор.

Принцип работы биполярного транзистора. Параметры биполярного транзистора: усиление по току; коэффициент переноса; коэффициент усиления по току; быстродействие.

Дрейфовый транзистор. Фототранзисторы. Оптоэлектронные транзисторы. Оптроны.

9. Полевой транзистор.

Основная идея создания полевого транзистора (идея Лилиенфельда). Роль поверхностных состояний в практической реализации идеи Лилиенфельда.

Полевой транзистор с переходом (практическая реализация идеи Шокли).

МДП (МОП) транзисторы.

Транзисторы со встроенным и индуцированным каналами. Проводимость канала полевого транзистора. Напряжение отсечки. Пороговое напряжение.

Основные параметры полевых транзисторов: крутизна; быстродействие.

Биполярные и полевые транзисторы: общие свойства и основные различия.

10. Полупроводниковые приборы с вольт-амперной характеристикой S-типа.

Общая характеристика приборов с отрицательным сопротивлением. S-диод. Однопереходной транзистор. Лавинный транзистор. Транзистор с коллекторной утечкой. Модуляционный транзистор. Четырехслойные структуры. Тиристоры.

11. Полупроводниковые датчики.

Датчики температуры. Тензодатчики. Датчики магнитного поля. (4 ч.).

Основная и дополнительная литература

а) основная

!1. 2. Стильбанс полупроводников. – М.: «Советское радио», 1967. – 452 с. !

1.  Блейкмор Дж. Физика твердого состояния. – М.: «Металлургия», 1972.

– 486 с.

2.  Соминский – М.: «Физматгиз», 1961,с.

--320 с.

3.  , Сорокин электронной техники. – С.-П.: «Лань», 2001. – 360 с.

4.  , Симин . – М.: «Наука», 1987. – 320 с.

5.  , Стафеев полупроводниковых приборов – М.: «Советское радио», 1980. –297 с.

6.  , Чиркин приборы. – С.-П.: «Лань», 2001.

– 362 с.

!

б) дополнительная

1.  Шалимова полупроводников. — М.: «Энергия», 1976.

-- 392 с. !

2. Мидлбрук. в теорию транзисторов. – М.: «Атомиздат», 1960.

-- 412 с.

3. Федотов физики полупроводниковых приборов. – М.: «Сов. радио», 1969. – 389 с.

4. Епифанов основы микроэлектроники. – М.: «Энергия», 1969. – 518 с.

III ТЕМЫ СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ

ФИЗИКА полупроводников

1.  Статистика носителей заряда в собственных полупроводниках (концентрация носителей заряда при термодинамическом равновесии).

2.  Статистика носителей заряда в примесных полупроводниках (концентрация носителей заряда при термодинамическом равновесии).

3.  Температурная зависимость концентрации носителей заряда в полупроводниках.

4.  Механизмы рассеяния и подвижность носителей заряда в полупроводниках.

5.  Неравновесные носители заряда и механизмы рекомбинации в полупроводниках.

6.  Время жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках. Температурная зависимость времени жизни.

7.  Механизмы поглощения света в полупроводниках (собственное, экситонное, примесное поглощение и поглощение решеткой).

8.  Фотопроводимость полупроводников. Релаксация и спектральная зависимость фотопроводимости.

9.  Механизмы люминесценции в полупроводниках.

10.  Эффект Холла (полупроводник с носителями заряда одного типа).

11.  Эффект Холла (полупроводник с носителями заряда двух типов).

12.  Отступления от закона Ома для полупроводников в сильных электрических полях.

13.  Термоэлектронная и ударная ионизация носителей в полупроводниках. Туннельный эффект.

14.  Эффект Ганна.

Физика полупроводниковых приборов

1.  Выпрямительные диоды.

2.  Стабилитроны.

3.  Импульсные высокочастотные и СВЧ диоды. Диоды с накоплением заряда.

4.  Варикапы и параметрические диоды.

5.  Влияние света на р--n-переход.

6.  Фотодиоды (физические принципы работы и основные параметры).

7.  Фотоэлементы.

8.  Координатно-чувствительные фотоприемники.

9.  Светодиоды.

10.  Лазер на р—n-переходе.

11.  Варисторы.

12.  Шумы в полупроводниковых диодах.

13.  Дрейфовый транзистор.

14.  Фототранзисторы.

15.  Оптоэлектронные транзисторы.

16.  Оптроны.

17.  Полевой транзистор с р--n-переходом.

18.  Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы).

19.  Общая характеристика приборов с вольт-амперной характеристикой S - типа.

20.  S–диод.

21.  Однопереходной транзистор.

22.  Лавинный транзистор.

23.  Транзистор с коллекторной утечкой.

24.  Инжекционно-полевой транзистор.

25.  Четырехслойные р—n--р-- n-структуры.

26.  Тиристоры.

27.  Туннельные диоды.

28.  Диоды Ганна.

29.  Лавинно-пролетные диоды.

30.  Терморезисторы.

31.  Диоды, транзисторы и тиристоры как датчики температуры.

32.  Тензодатчики.

33.  Тензорезисторы.

34.  Инжекционные тензодиоды.

35.  Датчики на основе эффекта Холла.

36.  Магнитодиоды.

37.  Магнитотранзисторы.

38.  Нейристоры.

39.  Приборы с зарядовой связью.

40.  Акустоэлектронные приборы.