Требования к уровню освоения содержания дисциплин

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Цели и задачи учебной дисциплины «Физические основы электроники».

Целью данной учебной дисциплины является изучение студентами физических эффектов и процессов, лежащих в основе принципов действия полупроводниковых приборов. Основными задачами данной учебной дисциплины являются:

- ознакомление с современным уровнем развития физических основ полупроводниковой электроники с учетом использования перспективных полупроводниковых материалов;

- изучение физических процессов образования свободных носителей заряда в полупроводниках;

- изучение физических процессов, происходящих на границе двух полупроводников, на границе металл-полупроводник, на границе диэлектрик- полупроводник;

- изучение электрических параметров и характеристик электрических контактов и структур полупроводниковой электроники.

Требования к уровню освоения содержания дисциплин.

В итоге изучения дисциплины студент должен знать:

- физические явления и эффекты, определяющие принцип действия основных электронных приборов;

- формулы плотности дрейфового и диффузионного токов в полупроводниках и контактной разности потенциалов р-п -перехода;

- уравнение вольтамперной характеристики идеализированного p-n -перехода и влияние на нее ширины запрещенной зоны полупроводникового материала, температуры и концентрации примесей;

- физический смысл основных параметров р-n - перехода;

- причины инерционности p-n -переходов и полупроводниковых структур;

- причины нарушения равновесного состояния в полупроводниковых структурах;

- зонные диаграммы собственных и примесных полупроводников, р-п -перехода, контакта металл- полупроводник и простейшего гетероперехода;

- зонные диаграммы структур металл- диэлектрик- полупроводник и физические механизмы управления током в них;

- влияние температуры на физические процессы в структурах и их характеристики;

студент должен уметь:

- находить значения электрофизических параметров полупроводниковых материалов (кремния, германия, арсенида галлия) в учебной и справочной литературе для оценки их влияния на параметры структур;

- оценивать значения концентраций основных и неосновных носителей полупроводников при различных концентрациях примесей и различных температурах;

- изображать структуры с различными контактными переходами, объяснять их принцип действия и составлять электрические и математические модели этих структур;

и получить навыки экспериментального определения статических характеристик и параметров различных структур.

Содержание лекций

Лекция 1. Кристаллическое строение твердого тела. Идеальные кристаллы. Решетки Бравэ. Индексы Миллера. Дефекты и примеси в реальных кристаллах. Донорные и акцепторные примеси. Тепловые колебания кристаллической решетки.

Лекция 2. Зонная структура твердых тел. Уравнение Шредингера для кристалла, методы его решения. Модель Кронига-Пенни. Энергетический спектр электронов. Приведенные зоны Бриллюэна. Зонная диаграмма полупроводников, металлов и диэлектриков. Эффективная масса электрона. Энергетические уровни примесных атомов в полупроводниках.

Лекция 3. Статистика равновесных носителей тока в полупроводниках. Статистика Максвелла-Больцмана и Ферми-Дирака. Физический смысл уровня Ферми. Расчет концентрации электронов и дырок в полупроводниках. Эффективная плотность электронных и дырочных состояний. Уравнение электронейтральности. Положение уровня Ферми в собственном и примесном полупроводниках и его зависимость от температуры и концентрации донорных и акцепторных примесей. Вырожденные полупроводники.

Лекция 4. Неравновесные носители тока. Понятия времени жизни, коэффициента и скорости рекомбинации неравновесных носителей тока. Межзонная рекомбинация, рекомбинация типа Шокли-Рида, поверхностная рекомбинация. Эффективное время жизни.

Лекция 5. Движение носителей в электрическом поле. Дрейфовая скорость, подвижность, плотность дрейфового тока. Удельная проводимость. Диффузионное движение носителей тока. Плотность диффузионного тока. Коэффициент диффузии. Связь подвижности и коэффициента диффузии - соотношение Эйнштейна. Движение основных избыточных носителей тока, радиус экранирования Дебая. Уравнение непрерывности. Движение неосновных избыточных носителей тока, явления инжекции и экстракции. Биполярная диффузия

Лекция 6. Кинетическое уравнение Больцмана. Неравновесная функция распределения электро­нов. Время релаксации. Электропроводность в слабых полях. Типы и механизмы рассеяния носителей тока. Электропроводность в сильных электрических полях. Влияние поля на подвижность и концентрацию носителей тока. Горячие электроны. Влияние поля на величину эффективной массы. Эффект Ганна. Гальваномагнитный эффекта Холла, магниторезистивный эффект. Термоэлектриче­ские явления в полупроводниках. Характеристика термоэлектрических явлений (эффекты Зеебека, Пельтье, Томсона).

Лекция 7. Явления в контакте металл-полупроводниках. Работа выхода электронов. Зонные диаграммы металла и полупроводника до контакта и структуры после контакта в состоянии равновесия. Выпрямление на контакте полупроводник-металл. Барьер Шоттки. Вольтамперная характеристика контакта. Условие получения омического контакта.

Лекция 8. Р – п переход. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия. Контактная разность потенциалов, ее зависимость от ширины запрещенной зоны, концентрации примесей и температуры. Ширина обедненной области. Неравновесное состояние р-п- перехода. Прямое и обратное включение. Вольт - амперная характеристика (ВАХ) идеализированного перехода и ее уравнение. Зависимость ВАХ от концентрации примесей и температуры.

Лекция 9. Отличие реальных электронно-дырочных переходов от идеали-зирванного. Учет генерации и рекомбинации носителей заряда в обедненной области перехода, учет омических сопротивлений р - и n -областей. Учет электрического (лавинного, туннельного) и теплового пробоев при обратном включении перехода и коррекция математического описания ВАХ.

Лекция 10. Параметры p-n -перехода и его электрическая модель. Дифференциальное сопротивление. Барьерная и диффузионная емкости. Зависимость параметров от величины и знака напряжения (смещения). Причины, вызывающие инерционность процессов в р-п -переходе.

Рекомендуемая литература.

а) основная литература:

1. Гарифуллин Н.М. Физические основы электроники. Учебное пособие. –Уфа, 2005.-170с.

2. Шалимова К.В. Физика полупроводников. Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1983.- 392с.

3. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. Под ред. Н.Д.Федорова.- М.: Радио и связь,1998.-560с.

б) дополнительная литература:

1. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. Учебник для вузов.-М.: Высш. шк., 1979.-448с.

2. Фридрихов С.А., Мовнин С.Н. Физические основы электронной техники. Учебник для вузов.-М.: Высш. шк., 1982.-608с.

3. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. Учебное пособие для вузов.-М.:Высш. шк., 1975.-296с.

4. Епифанов Г.Н. Физические основы микроэлектроники. Учебное пособие для вузов.-М.: Советское радио.,1971.-376с