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 Материалы и элементы электронной техники
для направления 210104.65 «Микроэлектроника и твердотельная электроника»
подготовки специалиста
Автор программы: доцент *****@***ru
Одобрена на заседании кафедры Микросистемной техники, материаловедение и технологии
Зав. кафедрой «___»____________ 2012 г
Рекомендована секцией УМС [Введите название секции УМС] «___»____________ 2012 г
Председатель [Введите ]
Утверждена УС Факультет электроники и телекоммуникаций
«___»_____________2012 г.
Ученый секретарь [Введите ] ________________________ [подпись]
Москва, 2012_
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1. Цели и задачи дисциплины
Научить студентов правильно оценивать и выбирать материалы для создания устройств электроники, обеспечивающие их надежность, долговечность, оптимальные массогабаритные и экономические характеристики на основе знания структуры и свойств материалов, а также методов воздействия на них.
1. Установление зависимости между составом, структурой и свойствами материалов,
2. Изучение физической природы явлений, происходящих в проводниковых, резистивных, полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и других материалах, используемых в электронике, при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации;
3. Изучение основных групп материалов, их свойств и областей применения.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков, полученных в ходе изучения дисциплин «Химия» ( 2 ) «Физика» (2-4 семестры), «Физика твёрдого тела»( 3 ). Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями:
ОК-10 – Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования.
ПК-1 – Способность представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики.
ПК-2 – Способность выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат.
ПК-6 – Способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии.
ПК-14 – Способность выполнять работы по технологической подготовке производства материалов и изделий электронной техники.
ПК-18 – Способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области электроники и наноэлектроники.
ПК-21 – Готовность анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций.
Дисциплина «Материалы электронной техники» является предшествующей для
изучения дисциплины »"Электронно- и ионнолучевое оборудова ние":"Оборудование для получения тонкоплёночных структур" и "Методы исследования материалов и структур микро - и наноэлектроники" .
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: физическую сущность явлений, происходящих в материалах в условиях производства и эксплуатации; их взаимосвязь со свойствами; основные свойства современных материалов;
Уметь: оценивать поведение материала и причины отказов устройств электроники при воздействии на них различных эксплуатационных факторов: обоснованно выбирать материал и при необходимости его обработку для получения необходимой структуры и свойств, обеспечивающих высокую надежность и долговечность элементов электронной техники;
Владеть: навыками выбора материалов различного назначения, а также работы с приборами, позволяющими определять свойства и оцени
ния; рассчитывать ионно-легированные профили распределения примесей; качественно определять траекторию электронного пучка в сложном электрическом поле; анализировать и выбирать элементную базу элионного оборудования; оценивать применение элионного оборудования в новых областях техники и технологий.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | ||
5 | 6 | - | ||
Общая трудоемкость дисциплины | 250 | |||
Аудиторные занятия (всего) | 153 | |||
В том числе: | ||||
Лекции | 85 | 42 | 42 | |
Практические занятия (ПЗ) | 68 | 34 | 34 | |
Семинары (С) | ||||
Лабораторные работы (ЛР) | 18 | 18 | ||
Самостоятельная работа (всего) | 97 | |||
В том числе: | ||||
Курсовой проект (работа) | ||||
Расчетно-графические работы | ||||
Реферат | ||||
Другие виды самостоятельной работы | ||||
Промежуточная аттестация (экзамен) | 36 | 36 | ||
Общая трудоемкость часы | 250 | |||
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1. | Проводниковые и резистивные материалы | Классификация материалов по составу, свойствам и назначению. Строение материалов. Дефекты кристаллического строения. Кристаллизация. Классификация, комплекс требований, предъявляемых к проводниковым материалам различного назначения: электропроводность, теплопроводность, механические, коррозионные свойства, стабильность по температуре и во времени, технологические свойства и т. п. Факторы, влияющие на электропроводность. Использование измерений удельного электросопротивления для исследований изменений структуры материалов в результате их обработки. Металлы и сплавы для проводников, основные требования. Медь, влияние примесей, способы упрочнения. Проводниковые сплавы на основе меди. Серебро, золото, платина, никель и сплавы на их основе. Металлы и сплавы высокого электросопротивления, назначение и основные требования. Сплавы для резисторов постоянных и переменных. Углеродистые и безуглеродистые пленочные резисторы. Сплавы для нагревателей на никелевой, железной основе, на основе тугоплавких металлов, платины. Материалы для микросхем, Фильерный и литой микропровод. Особенности тонкопленочных материалов для резисторов и проводников, понятие о принципах получения, основные параметры, определяющие совместимость материалов, в том числе в интегральных микросхемах: КТР. адгезии, диффузионные характеристики и т. д. Контактные материалы для разрывных и скользящих контактов. Криопроводники. Особенности свойств и принцип получения. Понятие о сверхпроводниках: параметры, сверхпроводящие материалы, применение для создания магнитных полей большой мощности. Эффект Джозефсона и устройства на его основе для создания сверхпроводников для ЗУ. |
2. | Магнитные материалы. | Классификация материалов по их отношению к магнитному полю. Ферромагнитные материалы. Обменное взаимодействие. Доменная структура, магнитная анизотропия. Намагничивание и перемагничивание, магнитный гистерезис, влияние структуры. Магнитные свойства в переменных полях, потери на перемагничивание. Магнитная проницаемость. Зависимость магнитных свойств от температуры, точка Кюри. 2.1 Магнитно-мягкие материалы. Металлические магнитно-мягкие материалы: структура, свойства, особенности обработки. Сталь, железо-никелевые, железо-кобальтовые и железо-алюминиевые сплавы. Магнитно-мягкие ферриты. 2.2 Магнитно-твердые материалы. Металлические магнитно-твердые материалы; структура, свойства, особенности обработки. Магнитно-твердые ферриты. Интерметаллические магнитно-твердые материалы. Материалы для записи и хранения информации. 2.3. Магнитные материалы се специальными свойствами. |
3. | Полупроводниковые материалы. | Физико-химическая природа полупроводимости — 4ч. Критерии, описывающие общие свойства полупроводников. Типы химической связи и механизмы переноса носителей заряда в металлах, полупроводниках и диэлектриках. Температурные коэффициенты электросопротивления, Ковалентная связь, гибридизация волновых функций валентных электронов в полупроводниках. Кристаллическая структура моноатомных полупроводников 1VB – V11B трупп. Сильные и слабые связи в полупроводниках, гетеродесмия, анизотропия свойств монокристаллов. Особенности свойств и применения полупроводников в микроэлектронных устройствах (МЭУ). Моноатомные алмазоподобные полупроводники. Аллотропические формы углерода, различия в схемах их гибридизации и в свойствах. Природные и синтетические алмазы, собственные и примесные, безазотные и азотные, нелегированные и легированные. Структура, свойства и применение в электронике полупроводниковых алмазов. Углеродные и алмазные пленки, их формирование и применение. Германий и кремний. Требования к германию и кремнию, предназначенным для изготовления МЭУ, Исходные материалы для получения чистых Германия и кремния, общее описание технологии их переработки. Получение объемных поликристаллов. Способы получения монокристаллов. Фазовые диаграммы равновесия полупроводник-примесь. Макродиаграммы. Вырожденная эвтектика, солидус, их природа. Качественные характеристики растворимости примеси в полупроводниках: равновесный коэффициент растворимости, его практическое значение, эффективный коэффициент растворимости. Нелегированные и легированные полупроводники. Получение и свойства монокристаллов Германия и кремния. Высокочистый и высокосовершенный монокристалл. Получение монокристаллов германия, кремния методами направленной кристаллизации, зонного переплава и Чохральского. Принципы, этапы, результаты. Параметры, определяющие качество монокристаллов Германия и кремния, принципы их определения в соответствии со стандартом. Система обозначений монокристаллов Германия и кремния в соответствии со стандартом. Поведение примесей в моноатомных алмазоподобных полупроводниках. Изовалентные и неизовалентные примеси в Германии и кремнии, их поведение: мелкие и глубокие, медленные и быстрые. Собственные и примесные полупроводники. Слабо, средне и сильно легированные германий и кремний, влияние степени легирования на комплексы их электрофизических характеристик при нормальной и повышенной температурах. Особенности диффузии примесей в Германии и кремнии: корреляция коэффициента диффузии примеси с пределом ее растворимости и коэффициентом ее распределения. Направления применения Германия и кремния в'МЭУ. Дефекты в алмазоподобных моноатомных полупроводниках. Классификация дефектов в Германии и кремнии в соответствии со стандартом. Макро - и микродефекты. Структурные и кристаллические дефекты. Способы их выявления, их влияние на электрофизические параметры полупроводников и характеристики полупроводниковых приборов и МЭУ. Общие представления об электронике дефектов и требования к материалам для микроэлектроники по степени совершенства кристаллической структуры. Точечные дефекты в алмазоподобных полупроводниках. Происхождение точечных дефектов, их поведение, комплексообразование и влияние на свойства полупроводников. Линейные дефекты в алмазоподобных полупроводниках. Дислокации в алмазоподобных полупроводниках. Типы дислокаций и их системы скольжения. Энергетика и электроника дислокаций, их влияние на энергию кристалла и его зонную структуру. Плотность дислокаций, методы их наблюдения и определения плотности, скольжение и взаимодействие дислокаций между собой и с дефектами других типов. Хрупкость и пластичность алмазоподобных полупроводников. Контролируемое использование дислокационной структуры полупроводников в технологии МЭУ: геттерирование быстрых примесей, резка монокристаллов, скрайбирование пластин и пр. Пленочные алмазоподобные моноатомные полупроводники. Получение, характеристики" и применение в микроэлектронике эпитаксиальных пленок кремния. Автоэпитаксйальные и гетероэпитаксиальные структуры. Проблемы автолегирования. эпитаксиальных пленок. Дефекты эпитаксиальных кремниевых структур, возможности предотвращения их образования и уменьшения их плотности посредством постэпитаксиальной обработки. Примеры обозначений кремниевых эпитаксиальных структур. Структуры «кремний на сапфире». Получение и свойства монокристаллического сапфира, особенности характеристик и применения структур КНС. Поликристаллические пленки кремния. Получение, морфология, свойства и применение в микроэлектронике нелегированных и легированных поликристаллических пленок кремния. Аморфные пленки кремния. Стеклообразное и аморфное состояние слоев кремния. Получение, морфология, характеристики и применение в микроэлектронике аморфных негидрогенизированных и гидрогенизированных нелегированных и легированных слоев аморфного кремния. Пористый кремний. Методика получения пористых слоев на монолитной подложке кремния. Особенности морфологии пористого кремния. Свойства пористых кремниевых слоев, их применение в фотолюминисцентных и иных кремниевых МЭУ. Нитевидные кристаллы кремния. Получение, строение, свойства и применение нитевидных кристаллов-«усов» кремния, Алмазоподобные полупроводниковые соединения. Принципы формирования полупроводниковых соединений (ППС) типа АВ: «несимметричные» и «симметричные» ППС. «Симметричные» ППС: образование, кристаллическое строение, схема гибридизации, зонная структура. Сфалерит, вюрцит, политипы. Электронная концентрация ППС. ППС типа АВ и АВ: составляющие их химической связи, влияние соотношения составляющих связи на зонную структуру и комплекс электрофизических параметров ППС. Фазовые диаграммы равновесия двойных ППС типа АВ и АВ. Стехеометрия и нестехиометрия, их влияние на зарядовое состояние ППC. Поведение примесей в ППС типа АВ и АВ. Замещение ППС типа АВ – принцип замещения и закономерности изменения свойств в твердых растворах на основе соединений АВ и АВ. Нелегированные и легированные незамещенные и замещенные соединения типа АВ и АВ. Система обозначений объемных монокристаллов ППС типа АВ. Гетероэпитаксиальные структуры на основе ППС типа АВ. Получение, электрофизические и оптические свойства и применение гетероструктур с использованием трех-, четырех-, пяти - и шестикомпонентных нелегированных и легированных твердых растворов на базе соединений АВ, Система обозначений гетероэпитаксиальных структур на базе соединений АВ. Полупроводниковые сверхрешетки. Поверхностные эффекты в полупроводниках. Понятие о критической толщине полупроводниковой пленки, приводящей к образованию поверхностей псевдоморфной сверхрешетки. Сверхрешетки с чередующимся узкозонными и широкозонными, нелегированными и легированными, ненапряженными и напряженными слоями. Закономерности изменения зонных структур сверхрешеток. Квантовые эффекты в сверхрешетках, их влияние на электрофизические параметры отдельных типов сверхрешеток. Применение сверхрешеток в устройствах микроэлектроники и наноэлектроники. Другие типы полупроводниковых соединений. Соединения типа АВ и АВ, оксидные ППС, халькогенидные стеклообразные ППС и др. Тройные ППС. Принципы формирования тройных ППС ABC тетраэдрического типа. |
4. | . Диэлектрические материалы. | Поляризация диэлектриков. Виды поляризации. Диэлектрическая проницаемость, ее зависимость от температуры и частоты внешнего поля. Полярные и неполярные диэлектрики. Электропроводность диэлектриков. Удельное объемное и поверхностное сопротивление, их зависимость от структуры материала, температуры и других факторов. Диэлектрические потери, их виды и характеристики: активная мощность, угол и тангенс угла диэлектрических потерь, их температурно-частотные зависимости. Пробой и электрическая прочность диэлектриков. Зависимость электрической прочности от структуры материала, его толщины, однородности электрического поля и других факторов. Стойкость диэлектриков к эксплуатационным условиям: механическим нагрузкам, температуре, влажности, химическим реагентам. излучению и т. д. 4.1. Электроизоляционные и конденсаторные материалы, Полимеры, пластмассы, композиционные материалы, лаки эмали, компаунды, эластомеры, стекла, ситаллы, керамика. 4.2. Активные диэлектрики. Материалы твердотельных лазеров, сегнето - и пьезоэлектрики, электреты, жидкокристаллические материалы. Материалы со специальными свойствами |
6. Лабораторный практикум
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-емкость (часы) |
1 | 1 | Металлографический анализ металлов и сплавов | 4,5 |
2. | 2 | Электрические свойства металлов и сплавов | 4,5 |
3. | 2 | Изучение влияния химического состава, обработки и условий испытании на магнитные характеристики магнитомягких материалов | 4,5 |
4 | 1 | Изучение диаграмм состояния двойных сплавов методами металлографического и термического анализа | 4,5 |
5 | 3 | Изучение дефектов кристаллической структуры и фазовых диаграмм полупроводниковых материалов | 4,5 |
6 | 4 | Изучение электрической прочности твёрдых диэлектриков | 4,5 |
7 | 4 | Изучение удельных электрических сопротивлений твёрдых диэлектриков | 4,5 |
8 | 4 | Поляризация и диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках | 4,5 |
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. , Сорокин B. C., Материалы электронной техники, М,: «Высшая школа», 1986.267с.
2. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. , , . М.: «Энергия». 1981.
3. , . Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: «Металлургия», 1988. 574 с.
4. . Вульф материалы. М: МИЭМ, 1974. 254 с.
5. Материалы для производства изделий электронной техники. , и др. М.: «Высшая школа», 1986. 247 с.
6. Электрорадиоматериалы, Под ред. . М,: «Высшая школа», 1978. 336 с, . Магнитные материалы в радиоэлектронике. М: МИЭМ, 1970. 111с.
7. . Электрофизические свойства твердых диэлектрических материалов. М: МИЭМ, 2000, 78 с,
б) дополнительная литература
8. Конструкционные свойства пластмасс (физико-химические основы
применения). Под ред. Э. Бэра. М.: «Химия», 1967. 463 с.
9. Марихин В, А., Мясникова Л, П„ Надмолекулярная структура полиме
ров. Л,: «Химия», 1977. 238 с.
10. . Сверхпроводящие материалы. М: МИЭМ. 1990. 36 с.
11. , Воздействие ионизирующих излучений на электрофизические свойства диэлектриков, М: МИЭМ, 1998. 58 6.
Не используются
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Не используются.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лаборатория металлографического анализа: металломикроскопы, коллекции металлографических шлифов, альбомы микрофотографий, плакаты с изображениями фазовых диаграмм равновесия, Периодическая система химических элементов, проекционный телевизор с компьютерным управлением.
Лаборатория физических свойств материалов: установка бесконтактного электродинамического измерения поверхностного электрического сопротивления тонких резистивных пленок на ситалловых подложках, комплект образцов, персональный компьютер; установка трансформаторного типа для измерения петли магнитного гистерезиса магнитномягких материалов, комплект образцов, персональный компьютер.
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 210104.65 –Микроэлектроника и твердотельная электроника.
Программу составил
доцент кафедры Микросистемной техники,
материаловедения и технологии
Настоящая рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры «___»____________2012 г. протокол №____ и рекомендована к применению в учебном процессе.
Заведующий кафедрой
Микросистемной техники,
материаловедения и технологии
«___» __________ 2012 г.
Срок действия программы продлен на:
20__/20__ уч. год_______________________________________.
(подпись зав. кафедрой)
20__/20__ уч. год_______________________________________.
(подпись зав. кафедрой)
20__/20__ уч. год_______________________________________.
(подпись зав. кафедрой)
20__/20__ уч. год_______________________________________.
