Твердотельная электроника. Рабочая программа дисциплины

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ факультет естественнонаучный кафедра микроэлектроники

Рабочая программа дисциплины

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА по программе подготовки специалиста инженера по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 210000 – Электронная техника, радиотехника и связь специальности 210104 – Микроэлектроника и твердотельная электроника

Экземпляр №

Пенза 2005

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005

1 РАЗРАБОТАНА на основе государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, утвержденного 10 марта 2000 г. Регистрационный номер 23 тех/дс рабочего учебного плана, семестровых планов и примерной программы НМС УМО Автор доцент кафедры микроэлектроники, к.ф.-м.н., доцент «____» ______________ 2005 г. 2 РЕЦЕНЗЕНТ доцент кафедры микроэлектроники, к.ф-м.н., доцент

Медведев С.П. Аверин И.А.

3 СОГЛАСОВАНА ................................................................................................................................................................. . (подразделение, руководитель .................................)

4 ВНЕСЕНА (ПОДГОТОВЛЕНА к утверждению) Методической группой кафедры Руководитель.............................................................................................…………………….. (уч. степень, звание, подпись, дата, фамилия и инициалы)

5 УТВЕРЖДЕНА на заседании кафедры микроэлектроники № протокола «____» ______________ 2005 г

Зав. кафедрой.

«____» ______________ 2005 г.

Печерская Р. М

Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры - разработчика программы.

2

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Рабочая программа дисциплины Специальность 210104 – Микроэлектроника и твердотельная электроника Дата введения январь 2006 г. 1 Область применения Настоящая рабочая программа (далее программа) устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, и студентов специальности 210104 – Микроэлектроника и твердотельная электроника, участвующих в процессе изучения дисциплины. 2 Нормативные ссылки Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки специалиста инженера. Учебный план ПензГУ по специальности 210104, утвержденный 27 января 2005г. Семестровый учебный план на 2005/2006 учебный год. И 151.30.03–2000 «Рабочие программы учебных дисциплин, порядок разработки и требования к содержанию». 3 Нормативная трудоемкость дисциплины Трудоемкость дисциплины в часах, исходя из 17-недельного семестра (дробью: всего в семестре /в среднем в неделю):

Общая

119 / 7

Обязательная аудиторная

68 / 4

лекции

34 / 2

лабораторные занятия

34 / 2

практические занятия семинары Самостоятельная работа студентов

Контроль текущий на занятиях теоретический зачет

51 / 3

6 семестр 6 семестр

3

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 4 Цель и задачи дисциплины 4.1 Целью дисциплины является изучение студентами физических процессов, определяющих принцип действия, свойства, характеристики и параметры различных полупроводниковых приборов в дискретном и интегральном исполнении. …………………………………………………………………………………………………………… 4.2 В результате изучения дисциплины студент должен: ⎯ иметь представление (понимать и уметь объяснить) о путях развития и проблемах полупроводниковой электроники; ⎯ знать принцип действия, свойства, основные характеристики и параметры различных п/п приборов и элементов интегральных микросхем; ⎯ уметь проводить исследования физических процессов в полупроводниковых приборах; ⎯ иметь навыки (опыт) измерения параметров и характеристик полупроводниковых приборов. 5 Место дисциплины в учебном процессе Дисциплина относится к циклу общепрофессиональных дисциплин. Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах: «Физика твердого тела», «Высшая математика», «Физика», «Теоретические основы электротехники». Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении дисциплин: «Микроэлектроника», «Квантовая и оптическая электроника», «Тонкопленочная электроника», «Микросхемотехника», «Физика м/э приборов», «Проектирование и конструирование п/п ИМС».

6 Сводные данные об основных разделах дисциплины и распределении часов по видам занятий Количество часов занятий Название раздела

аудиторных самостоялекцион- практиче- лаборатортельных ных ских ных

Уровни изучения

1. Введение

2

1

А

2. Физика контактных явлений в полупроводниках 3. Полупроводниковые диоды

8

9

Б

6

8

10

В

4. Биполярные транзисторы

6

10

13

В

5. Особенности полупроводниковых приборов в интегральном исполнении 6. Тиристоры

2

2

1

Б

2

2

5

В

4

10

10

В

4

2

2

Б

34

34

51

7. Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью 8. Управляемые полупроводниковые резисторы и преобразовательные полупроводниковые приборы Всего часов

4

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 7 Лекции 7.1 Разделы и их содержание Раздел 1. Предмет дисциплины и ее задачи. Основные этапы развития электроники. Задачи и принципы микроэлектроники. Полупроводниковые приборы как основные функциональные элементы микроэлектроники. Роль материалов в развитии элементной базы микроэлектроники. Классификация п/п приборов, элементов и компонентов интегральных микросхем. Параметры и характеристики приборов. Носители заряда и токи в полупроводниках. Уравнение Пуассона, уравнение непрерывности.

Раздел 2. Физические процессы на поверхности твердого тела. Поверхностные энергетические уровни. Изгиб энергетических зон вблизи поверхности. Длина экранирования Дебая. Обедненные, обогащенные и инверсные слои. Понятие о работе выхода, электронном сродстве и контактной разности потенциалов. Контакт двух материалов. Металлургическая граница. Построение энергетической диаграммы контактов. Разрыв энергетических зон на металлургической границе. Энергетические барьеры для носителей заряда. Классификация контактов: p-n-переход, n-n+- и p-p+-переходы, контакт металлполупроводник, гетеропереходы. Контакт полупроводник-полупроводник. Виды контактов. Образование и энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода (ЭДП). Равновесное состояние ЭДП. Высота потенциального барьера и контактная разность потенциалов ЭДП. Резкий и плавный ЭДП. Распределение напряженности и потенциала электрического поля в ЭДП. Соотношения для расчета толщины ЭДП. Неравновесное состояние ЭДП. ВАХ перехода. Инжекция и экстракция неосновных носителей заряда. Концентрация неосновных носителей заряда у границ ЭДП при больших и малых токах. Барьерная емкость ЭДП как проявление токов смещения. Общее и частное соотношения для барьерной емкости различных ЭДП. Использование вольт-фарадных характеристик для оценки контактной разности потенциалов и распределения примесей в переходе. Контакт металл-полупроводник. Энергетическая диаграмма контакта. Выпрямляющие и омические контакты. Переход Шоттки. Распределение напряженности и потенциала электрического поля в переходе металл-полупроводник. ВАХ перехода. Наличие туннельного тока в выпрямляющих контактах перехода металл-полупроводник. Инжектирующие и неинжектирующие контакты. Барьерная емкость контакта.

5

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Требования к омическим контактам. Параметры омических контактов. Реальная структура невыпрямляющего контакта, использование n-n+- и p-p+-переходов. Энергетическая диаграмма контакта. Принципиальные различия между p-n-переходами и p-p+-( n-n+)переходами. Гетеропереходы – особенности и физические свойства.

Раздел 3. Полупроводниковый диод как прибор, основу которого составляет выпрямляющий контакт. Уравнение переноса – основное уравнение при расчете характеристик приборов. Физические факторы, определяющие постоянные прямые и обратные токи через диод с ЭДП. Распределение неосновных носителей в базе диодов с разной толщиной базы при прямом и обратном включении. Диффузионные токи в диоде, связанные с инжекцией и экстракцией неосновных носителей заряда ЭДП. Влияние толщины базы диода на его вольтамперную характеристику. Генерация и рекомбинация носителей заряда в выпрямляющем электрическом переходе диода. Влияние этих физических процессов на вольт-амперную характеристику диода. Пробой диода. Виды пробоя. Обратимые и необратимые пробои. Тепловой пробой диода. Условия, вызывающие тепловой пробой. Соотношение, выполнение которого приводит к наличию участка на ВАХ, соответствующего отрицательному дифференциальному сопротивлению диода. Особенности теплового пробоя в реальных диодах, связанные со «шнурованием» тока или с образованием проводящего канала в переходе. Лавинный пробой диода. Коэффициенты ударной ионизации и лавинного размножения в ЭДП. Условие лавинного пробоя ЭДП. Особенности лавинного пробоя в реальных диодах. Лавинно-пролетные диоды. Туннельный пробой. Условия туннельного пробоя, связь пробивного напряжения при туннельном пробое с удельным сопротивлением примыкающих к переходу областей. Физические процессы в диодах при больших прямых токах: изменение концентрации основных носителей заряда в базе, появление электрического поля в базе и изменение электрофизических параметров в базе. Модуляция сопротивления базы диода. Разновидности п/п диодов: выпрямительные диоды, стабилитроны, стабисторы, туннельные и обращенные диоды, варикапы. Импульсные и частотные свойства диодов. Перезаряд барьерной емкости при малом уровне инжекции и эффект накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода при высоком уровне инжекции. Диффузионная емкость. Эквивалентная схема диода. Пути улучшения частотных свойств выпрямительных диодов. 6

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Диоды с резким восстановлением обратного сопротивления. Полупроводниковые приборы с использованием междолинного перехода носителей заряда. Физические процессы, приводящие к появлению отрицательного дифференциального сопротивления при междолинном переходе электронов. Оценка времени формирования домена, времени его пролета по кристаллу и рассасывания. Диоды Ганна. Физические факторы, вызывающие шумы в диодах. Тепловые, дробовые и избыточные шумы в диодах. Шумовые диоды. Надежность диодов. Основные причины отказов в диодах.

Раздел 4. Структура и основные режимы работы транзистора. Дрейфовые и бездрейфовые транзисторы. Схемы включения и принцип действия транзистора. Распределение стационарных потоков носителей заряда в структуре транзистора. Статические характеристики транзистора в схеме с общей базой и с общим эмиттером. Параметры транзисторов. Физические явления, приводящие к зависимости различных параметров транзистора и его эквивалентной схемы от тока эмиттера, напряжения на коллекторе и температуры. Физические процессы, влияющие на зависимость коэффициентов передачи от постоянной составляющей тока эмиттера. Явления в транзисторе при больших токах. Физические процессы, приводящие к пробою транзистора в различных схемах включения. Смыкание переходов. Вторичный пробой. Ограничение плотности тока через коллекторный переход, связанное с компенсацией объемного заряда в коллекторной части ЭДП коллектора потоком носителей заряда. Другие явления в транзисторе при больших токах. Физические процессы в транзисторе при его работе в качестве электронного ключа. Однопереходные транзисторы. Работа транзистора на малом переменном сигнале. Физические явления, ограничивающие диапазон рабочих частот транзистора. Зависимость коэффициента передачи от частоты. Шумы в транзисторах. Зависимость коэффициента шума от тока эмиттера, напряжения на коллекторе и частоты. Надежность транзисторов. Причины отказов.

Раздел 5. Влияние размерных эффектов на свойства полупроводниковых приборов. Физические ограничения на размеры элементов интегральных микросхем. Структура интегральных транзисторов и диодов. Методы изоляции элементов интегральных микросхем. Паразитные связи в интегральных микросхемах. Составные транзисторы. Функциональные интегрированные элементы: многоэмиттерный транзистор, транзистор Шоттки, схемы с инжекционным питанием.

7

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Раздел 6. Структура и основные разновидности тиристоров. Принцип действия и основные характеристики тиристоров. Физическая модель тиристора. Двухтранзисторный аналог тиристора. Ток тиристора в закрытом состоянии. Условие переключения. Напряжение включения тиристора. Влияние тока управления и шунтировки на вольт амперную характеристику тиристора. Вольт-амперная характеристика тиристора в открытом состоянии. Способы включения тиристоров. Эффекты dU/dt и dI/dt в тиристорах. Распространение включенного состояния по площади тиристорной структуры. Переходные процессы при включении и выключении тиристоров. Раздел 7. Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом или барьером Шоттки. Физические процессы, определяющие статические характеристики, частотные свойства и основные параметры полевых транзисторов с управляющими переходами. Идеализированная структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Физические явления в приповерхностной области полупроводника при приложении напряжения к МДПстуктуре. Энергетические диаграммы и распределение зарядов. Ёмкость приповерхностной области полупроводника (области объемного заряда). Вольт-фарадная характеристика. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) с индуцированным и встроенным каналом. Статические харктеристики, свойства и параметры. Структура и принцип действия приборов с зарядовой связью (ПЗС). Формирование потенциальных ям в секции переноса ПЗС под влиянием внешнего электрического поля. Поверхностные и объемные каналы переноса информационного заряда. Область применения ПЗС. Разновидности ПЗС. Раздел 8. Оптоэлектронные приборы. Поглощение света твердым телом. Спектральные характеристики. Яркостные характеристики. Люминесценция. Пленочные и порошковые излучатели. Светодиоды и полупроводниковые лазеры. Фоторезисторы. Фотодиоды и фотоэлементы. Фототранзисторы. Оптопары. Структура оптопар: светоизлучающие элементы и фотоприемники; принцип действия и основные свойства. Оптоэлектронные ИМС и интегральная оптика. Терморезисторы. Вольт - амперная характеристика термистора в параметрическом виде. Анализ системы уравнений для вольт - амперной характеристики термистора. Коэффициент температурной чувствительности и его связь с энергией ионизации примесей или шириной запрещенной зоны полупроводника. Позисторы.

8

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Варисторы. Вольт - амперная характеристика варистора из карбида кремния. Анализ системы уравнений для вольт - амперной характеристики. Связь коэффициента нелинейности варистора с коэффициентом температурной чувствительности поверхностных слоев кристаллов. Физика варисторов на основе оксидов металлов. Полупроводниковые термоэлектрические приборы. Коэффициент полезного действия полупроводникового термоэлемента. Оптимальный ток через термоэлементы и максимальная разность температур между горячими и холодными спаями термоэлементов при их работе в холодильных установках. Полупроводниковые подогреватели на эффекте Пельтье. Полупроводниковые гальваномагнитные приборы. Связь коэффициента Холла и параметров преобразователей Холла с параметрами исходного полупроводника. Магниторезисторы. Магнитодиоды. Магнитотранзисторы. Тензорезисторы и тензодатчики. Элементы магнитоэлектроники. Магнитные эффекты в тонких магнитных пленках. Цилиндрические магнитные домены. Принципы построения запоминающих и логических элементов на цилиндрических магнитных доменах.

7.2 Форма проведения занятий – лекции в аудитории с применением проектора и ЭВМ. 8 Практические занятия – не предусмотрено. 9 Лабораторные занятия 9.1 Основные темы: 9.1.1. Исследование вольт - амперных характеристик полупроводниковых диодов. 9.1.2. Исследование импульсных и частотных свойств полупроводниковых диодов. 9.1.3. Исследование статических параметров и характеристик биполярного транзистора. 9.1.4. Исследование импульсных и частотных свойств биполярного транзистора. 9.1.5. Исследование физических процессов в тиристорной структуре. 9.1.6. Исследование полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом. 9.1.7. Исследование МОП транзисторов. 9.1.8. Исследование магнитодиодов (магнитотранзисторов, магниторезисторов). 9.2 Форма проведения занятий: проведение занятий в измерительной лаборатории (как автоматизированной, так и не автоматизированной); расчет параметров и характеристик, офрмление отчетов. 9

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 12 Методические материалы. 12.1. Абрамов В.Б., Медведев С.П. Исследование физических свойств p-nпереходов. Мет. ук. по проведению лаб. работ. // Пенза: Изд-во Пенз. политехн. ин-та, 1992. 12.2. Абрамов В.Б., Головяшкин А.Н., Медведев С.П. Исследование физических свойств биполярных и полевых транзисторов. Мет. ук. по проведению лаб. работ. // Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1998. 13 Учебная литература. Основная 13.1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. // М.: Высш.шк., 1987. 13.2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем: Учеб. для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. // М.: Энергия, 1977. Дополнительная 13.3. Медведев С.П. Физика полупроводниковых и микроэлектронных приборов (биполярные приборы): Учеб. пособие. // Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1996 г.- 158 с. 14 Переутверждение программы на очередной учебный год и регистрация изменений

Учебный год

Учебная группа

Решение кафедры (№ протокола, дата, подпись зав. кафедрой)

Примечание - Тексты изменений прилагаются 10

Решение выпус кающей кафедры (№ протокола, дата, подпись зав. кафедрой)

Лектор

Изменение, №