Учебная программа для специальности g-31-03-01-04 Математическая электроника
|
Скачать 115.62 Kb.
|
Белорусский государственный университетУТВЕРЖДАЮРектор Белгосуниверситета ________________ В.И. Стражев «____» ___________ 200_ г. Регистрационный № ____ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Учебная программа для специальностиG-31-03-01-04 Математическая электроника МИНСК 2006 Составитель: В. В. Петров – профессор кафедры физики полупроводников и наноэлектроники Белорусского государственного университета, доктор физико–математических наук, старший научный сотрудник. Рецензент: В. Г. Шепелевич – 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 № 7 от «14 » июня 2006 г.); Методическим советом механико-математического факультета Белорусского государственного университета (протокол № от « » 2006 г.). Ответственный за редакцию: В. В. Петров Ответственный за выпуск: В. В. Петров 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
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 Л.С. Физика полупроводников. – М.: «Советское радио», 1967. – 452 с. !
– 486 с.
--320 с.
– 362 с. ! б) дополнительная
-- 392 с. ! 2. Мидлбрук. Р.Д. Введение в теорию транзисторов. – М.: «Атомиздат», 1960. -- 412 с. 3. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. – М.: «Сов. радио», 1969. – 389 с. 4. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. – М.: «Энергия», 1969. – 518 с. III ТЕМЫ СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ ФИЗИКА полупроводников
Физика полупроводниковых приборов
|
Добавить документ в свой блог или на сайт
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка: 
