Министерство образования Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Новосибирский государственный технический университет»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине
Элементы И приборы наноэлектроники
по направлению 2106000"Нанотехнология"
Факультет Радиотехники электроники и физики.
Кафедра Полупроводниковых приборов и микроэлектроники
Курс ________4______ Семестр ___8____
Лекции 34 час.
Семинары 17 час.
Расчетно-графическое задание 8 сем.
Экзамен 8 сем.
Всего часов 51 час.
Самостоятельная работа 66 час.
Новосибирск
2008
Особенности курса
Курс входит в число дисциплин, включенных в программу подготовки бакалавра по направлению 210600.
Цель курса: изучение принципов работы современных наноприборов, физических и математических моделей, позволяющих описывать имеющиеся и прогнозировать возможные физические явления в наноэлектронике.
Ядро курса –описание физических процессов, происходящих в отдельных элементах наноустройств, включая эффекты сильных полей в короткоканальных транзисторов, квантовые эффекты в низкоразмерных структурах, и в приборах на основе композиционных гетероструктур в условиях различных внешних воздействий.
Для успешного изучения курса студенту необходимо знать высшую математику, теоретическую физику, включающую следующие разделы: квантовую механику, электродинамику, термодинамику, статистическую физику, физику твердого тела и физику полупроводников.
В курсе прививается умение: анализировать результаты эксперимента; создавать адекватные физические и математические модели; проводить вычисления и анализировать результаты расчетов.
Курс имеет практическую часть (самостоятельная работа - 66 час.). Студенты самостоятельно знакомятся с современными наноприборами на основе молекулярных проводников, вычислителями на основе ДНК, принципами организации нанокомпьютеров, основы квантовой криптографии, читая оригинальные статьи в научных журналах.
Оценка знаний и умений студентов проводится с помощью расчетно-графического задания и экзамена, который включает в себя 25 вопросов по основным проблемам курса.
2. Требования государственного образовательного стандарта (ГОС) по направлению 2106000 ”Нанотехнология”
Квалификационные требования
Для компетентного и ответственного решения профессиональных задач студент:
должен знать: физические и математические модели, методы и средства экспериментального изучения объектов исследования.
должен уметь: использовать современные экспериментальные и теоретические методы и средства анализа и моделирования объектов профессиональной деятельности
3. Цели курса
Номер цели | Содержание цели |
Студент будет иметь представление: | |
1 | О современных принципах построения теоретических моделей физических процессов в нанообъектах |
2 | о методах теоретической физики и вычислительной математики, используемых в материаловедении, физике твердого тела и физике полупроводников. |
3 | о новейших методах получения, экспериментального исследования и характеризации нанобъектов. |
4 | о перспективных направлениях развития наноэлектроники. |
Студент будет знать | |
5 | понятийный аппарат (терминологию) дисциплины; |
6 | предмет курса: теоретические методы описания формирования нанообъектов, физические процессов в низкоразмерных структурах, ; |
7 | свойства твердых тел: диэлектриков, металлов, полупроводников. |
8 | особенности равновесных и неравновесных процессов на границе раздела гетероструктур, особенности переноса в низкоразмерных структурах; |
9 | основные экспериментальные методики исследования наноструктур; |
10 | основные физические явления, используемые для создания приборов наноэлектроники. |
Студент должен уметь: | |
11 | использовать основы теории твердого тела и термодинамики для постановки и решения задач описания процессов, происходящих в наноструктурах; |
12 | выдвигать и проверять гипотезы, делать обоснованный выбор методов исследования свойств нанообъектов; |
13 | проводить характеризацию нанообъетов в зависимости от поставленной задачи: уметь использовать методы структурного анализа, измерения электрофизических и оптических характеристик наноструктур; |
14 | выбирать и использовать для расчета параметров исследуемого объекта конкретные методы, сравнивать результаты расчета, полученные различными методами, вычислять новые параметры наноструктур; |
15 | прогнозировать изменение свойств объектов при изменении внешних условий или воздействий; |
16 | представлять результаты решения отдельных задач. |
4. Структура курса
Модуль 1 Полевые нанотранзисторы | Полевой транзистор с изолированным затвором и его характеристики. Механизмы токопереноса, теоретические и технологические пределы уменьшения размеров. Принципы и ограничения масштабирования. Эффекты сильных полей в короткоканальных МДПТ. Деградация характеристик МДПТ, вызванная горячими носителями. Всплеск скорости носителей. |
Модуль 2 МДП структуры | . Метод поверхностной проводимости. Метод эффекта поля. Методы определения плотности ПС на основе измерений емкости МДП - структур. Метод накачки заряда как метод определения параметров ПС в МДП транзисторе. |
Модуль3 Полупроводниковые гетеропереходы | Приборы на основе композиционных гетероструктур. д - легированние гетероструктуры. Гетероструктуры с квантовыми точками. Спонтанное упорядочение полупроводниковых структур. Формирование квантовых точек. Упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков. |
Модуль4 Основы одноэлектроники | Одноэлектронный транспорт. Кулоновская блокада. Кулоновская лестница. |
Модуль 5 Спинтроника | Магниточувствительные элементы в системах записи считывания информации, энергозависимые ячейки памяти, спиновые клапаны, элементы на основе спинзависящего туннелирования. |
Модуль 6 Основы криптографии. | Перспективная элементная база квантовых компьютеров. Кубиты, основные логические операции. Примеры реализации. |
Модуль 7 Мезоскопические приборы | Изготовление мезоскопических структур. Квантовые проводники, электронные квантовые интерферометры. |
Модуль 8 Молекулярная электроника | Приборы на основе молекулярных проводников. Фуллерены и их производные, нанотрубки |
Модуль 9 Искусственные нейронные сети | Нейроны. Искумсственный нейромн. Классификация нейронов. Передаточная функция нейрона. Известные применения нейронных сетей: Распознавание образов и классификация. Обучение сети. |
5. Содержание курса
Ссылки на цели курса | Часы | Темы лекционных занятий |
1, 3-5 | 2 | Введение. Полевые нанотранзисторы: механизмы токопереноса, теоретические и технологические пределы уменьшения размеров. Принципы и ограничения масштабирования. |
2, 5, 6, 12 | 2 | Полевой транзистор с изолированным затвором. ВАХ МДПТ. Эффекты сильных полей в короткоканальных МДПТ (включая биполярные эффекты). Деградация характеристик МДПТ, вызванная горячими носителями. |
5, 6, 8 | 2 | Уравнение Пуассона. Решение в случае невырожденной статистики. Разновидности ОПЗ (обогащение, обеднение, инверсия). Заряд и емкость ОПЗ. Статистика заполнения поверхностных состояний. Заряд и емкость поверхностныз состояний (ПС). |
5, 6, 8 | 2 | Зонная диаграмма МДП - структуры. Влияние контактной разности потенциалов, встроенного заряда и поверхостных состояний. МДП структура при внешнем смещении. |
5, 8, 9 | 2 | Экспериментальные методы измерения поверхностного потенциала и плотности ПС. Исследование поверхности с помощью эффекта поля.. Вольт - фарадная характеристика (ВФХ). Эквивалентные схемы на высоких и низких частотах. Обработка ВЧ ВФХ. Метод накачки заряда как метод определения параметров ПС в МДП транзисторе (пространственное и энергетическое распределения ПС). |
5, 6 | 2 | Моделирование характеристик короткоканальных МДП транзисторов (диффузионно-дрейфовое приближение, гидродинамическое приближение, локально-полевое приближение). Всплеск скорости носителей (для Si и GaAs). |
2 | Полупроводниковые гетеропереходы. Приборы на основе композиционных гетероструктур. д - легированние гетероструктуры | |
3-6, 9 | 2 | Технология получения и структурные исследования трехмерных наноостровков. Требования, предъявляемые к квантовым точкам (минимальный и максимальный размеры). |
3-6, 9 | 3 | Основы одноэлектроники. Одноэлектронный транспорт. Квантовые точки. Кулоновская блокада. Примеры реализации одноэлектронных приборов. |
3, 9 | 3 | Спинтроника. Материалы с гигантским магнетосопротивлением. Магниточувствительные элементы в системах записи считывания информации, энергозависимые ячейки памяти, спиновые клапаны, элементы на основе спинзависящего туннелирования. |
1, 2, 5, 9, 11 | 2 | Мезоскопические приборы. Изготовление мезоскопических структур. Квантовые проводники, электронные квантовые интерферометры. |
1, 2, 5, 7, 8, 10 | 3 | Перспективная элементная база квантовых компьютеров. Кубиты, основные логические операции. Примеры реализации. Основы криптографии. |
2, 5, 7, 10 | 3 | Молекулярная электроника. Приборы на основе молекулярных проводников |
2, 5, 10 | 2 | Фуллерены и их производные, нанотрубки. |
3, 5, 10 | 2 | Искусственные нейронные сети. Нейроны. Искумсственный нейромн. Классификация нейронов. Передаточная функция нейрона. Известные применения нейронных сетей: Распознавание образов и классификация. Обучение сети. |
Вопросы и задачи по курсу
Ссылки на цели курса | Часы | Темы | Решая задачи, студент: |
12, 13, 15, | 2 | Оценка поверхностной энергии гранецентрированного металла по теплоте испарения. | Должен уметь пользоваться модельными представлениями о поверхностной энергии (атомистическая модель в приближении 1-х и 2-соседей). Владеть навыком работы со справочными материалами; |
12, 16, | 2 | Оценка плотности адатомов на сингулярной поверхности полупроводника, окруженной собственным паром при заданной температуре. | -проводит расчет концентрации атомов на поверхности кремния исходя из параметров полупроводникового материала, температурных условий. Прогнозирует концентрацию атомов на поверхности кремния в равновесных условиях; |
12, 16 | 2 | Оценка времени жизни адатома на поверхности полупроводника, до испарения при заданной температуре в условиях термодинамического равновесия. | -выбирает соответствующую модель и выполняет расчет; расчет выполняется для кремния и различных кристаллографических направлений поверхности и температур; |
12, 15-16 | 2 | Оценка диффузионной длины адатомов на поверхности полупроводника по известному значению энергии активации поверхностной диффузии. | -проводит расчет для основных полупроводников и различных кристаллографических направлений; данные по энергии активации находит самостоятельно в справочниках и текущей научной литературе; |
12, 14 | 2 | Вычисление проводимости, подвижности и коэффициента диффузии полупроводника с заданными параметрами. | -решает задачу определения оптимального метода вычисления искомых параметров; |
12, 15, | 2 | Вычисление изгиба зон на поверхности полупроводника при адсорбции на поверхности примеси с заданной плотностью. | -выбирает модель для расчета изгиба зон на поверхности полупроводника; рассчитывает величину изгиба зон для заданного полупроводника и различных концентрациях поверхностной примеси, анализирует полученные результаты; |
15 | 2 | Вычисление заряда поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик по значениям поверхностного потенциала. Сравнение заряда на поверхностных состояниях с зарядом ОПЗ для полупроводника с заданным уровнем легирования. | - выбирает модель плотности состояний (равномерное распределение, моноуровень и т. д.), для расчета заряда поверхностных состояний; проводит расчет для кремния с заданным уровнем легирования, анализирует полученные результаты; |
15, | 2 | Определение заряда на поверхностных состояниях по заданной величине поверхностной проводимости. | - использует теоретические знания по физике поверхности, проводит расчет для конкретных полупроводниковых материалов; |
15, | 2 | Определение толщины слоя диэлектрика в МДП структуре по заданному изгибу энергетических зон. | - выбирает модель для расчета толщины диэлектрика в зависимости от условий задачи. Проводит расчет для конкретных МДП структур, необходимые данные находит самостоятельно в справочной литературе; |
15, | 2 | Вычисление емкости МДП структуры при условии «плоских зон» | - выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для конкретной системы, необходимые данные находит самостоятельно в справочной литературе; |
15, | 2 | Определение напряжения плоских зон МДП структуры с учетом встроенного заряда. | -выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для системы р Ge-SiO2-Al с заданными параметрами,; |
15, 17 | 2 | Определение напряжения плоских зон МДП структуры с учетом заряда на поверхностных состояниях. | выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для конкретной системы с заданными параметрами, анализирует, как изменится напряжение плоских зон при увеличении толщины оксида; |
15, 17 | 2 | Определение напряжения плоских зон МДП структуры с учетом встроенного заряда и заряда на поверхностных состояниях | выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для заданной системы, анализирует как изменится напряжение плоских зон при уменьшении толщины диэлектрика, при замене одного диэлектрика другим (на конкретных примерах); |
15, 17 | 2 | Определение встроенного заряда в МДП структуре с заданными параметрами по величине напряжения плоских зон | выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для определенной системы с различными параметрами, анализирует как изменится величина встроенного заряда при изменении знака напряжение плоских зон; |
12, 14, 15, 17 | 2 | Оценки влияния эффектов разогрева носителей в короткоканальных транзисторах | выбирает модель для оценки деградации характеристик МДП-транзисторов, проводит расчет для оценки времени протекания подзатворного тока для заданных параметров подзатворного диэлектрика, величины затворного тока, параметров ловушек и величины сдвига порогового напряжения; |
12, 15, 16, 17 | 4 | Контрольная работа, включающая проведение оценочных вычислений различных параметров | Выполняет тест из 6 заданий, которые проверяют степень знаний и умений студентов в соответствии с указанными целями. Определяет выбор применения физической и математической модели для расчета искомых параметров заданной МДП структуры. |
Ниже в таблице приведена рейтинговая система оценки работы студента по отдельным видам деятельности.
Вид деятельности | Максимальный рейтинг | Достаточный рейтинг для зачета |
Расчетно-графическое задание | 50 | 30 |
Теоретический опрос | 50 | 30 |
Итого: | 100 | 60 |
Для получения зачета необходимо набрать не менее 60 баллов.
Литература по курсу
«Элементы и приборы наноэлектроники»
Основная:
. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Часть 1, Москва: Техносфера, 2002. . Введение в нанотехнику. М.:Машиностроение, 2007. , . Электронные процессы в твердотельных системах пониженной размерности. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2000. . Магнитная электроника. Новосибирск: Изд-во Со РАН, 2002. , , . Основы наноэлектроники: Учеб. Пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000, 2004. , . Физика поверхности полупроводников. Ч.1-2, - Новосибирск: НГТУ, 1994.Дополнительная:
R. Waser Nanoelectronics and Information Technology. Advanced Electronic Materials and Novel Devices. WILEY-VCH Verlag, 2005. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. М.:Мир, 1984. -Бруевич, . Физика полупроводников.- М.: Наука, 1977. Ю. Пожела. Физика быстродействующих транзисторов. Вильнюс, МОКСЛАС, 1089. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. Отв. ред. ., Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. Д. Бауместер, А. Экерт, А. Цайлингер. Физика квантовой информации. Москва: Постмаркет, 2002. П. Ю, М. Кардона. Основы физики полупроводников, М.:ФИЗМАТЛИТ, 2002. , . Физика твердого тела. М.:Высш. шк., 2000. М. Праттон. Введение в физику поверхности. М. Ижевск, РХД, 2000. , . Электронные процессы в тонких слоях полупроводников. Учебное пособие, Новосибирск, НГУ, 2001
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для подготовки бакалавров техники и технологии по направлению 210600 «Нанотехнология» Стандарт утвержден 18.01.06, регистрационный номер-734тех/бак.
Рабочая программа обсуждена и утверждена методическом семинаре кафедры ППиМЭ
14 апреля 2008г. г.
Программу составил доц.
Зав. Кафедрой ППиМЭ проф.
Ответственный за основную
доцент каф. ППиМЭ
