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

2

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. Медведев С.П. 2 РЕЦЕНЗЕНТ

доцент кафедры микроэлектроники, к.ф-м.н., доцент Аверин И.А.

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

4 ВНЕСЕНА (ПОДГОТОВЛЕНА к утверждению)

Методической группой кафедры Руководи-тель.............................................................................................……………………..

(уч. степень, звание, подпись, дата, фамилия и инициалы) 5 УТВЕРЖДЕНА

на заседании кафедры микроэлектроники «____» ______________ 2005 г № протокола Зав. кафедрой. «____» ______________ 2005 г. Печерская Р. М

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

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005

3

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 дис-циплины.

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 учеб-ных 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 51 / 3

Контроль текущий на занятиях 6 семестр теоретический зачет 6 семестр

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005

4

4 Цель и задачи дисциплины 4.1 Целью дисциплины является изучение студентами физических процессов, определяю-щих принцип действия, свойства, характеристики и параметры различных полупроводни-ковых 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 полупро-водниковой 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 дисцип-лин: «Микроэлектроника», «Квантовая и оптическая электроника», «Тонкопленочная электроника», «Микро-схемотехника», «Физика м/э приборов», «Проектирование и конструирование п/п ИМС».

6 Сводные данные об основных разделах дисциплины и распределении часов по ви-дам занятий

Количество часов занятий

аудиторных

Название раздела

лекцион-ных

практиче-ских

лаборатор- ных

самостоя- тельных

Уровни изучения

1. Введение 2

1

А

2. Физика контактных явлений в полупровод-никах

8

9

Б

3. Полупроводниковые диоды 6

8

10

В

4. Биполярные транзисторы 6

10

13

В

5. Особенности полупроводниковых приборов в интегральном исполнении

2 2 1 Б

6. Тиристоры 2 2 5 В

7. Полевые транзисторы и приборы с зарядо-вой связью

4 10 10 В

8. Управляемые полупроводниковые резисто-ры и преобразовательные полупроводниковые приборы

4 2 2 Б

Всего часов 34 34 51

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005

5

7 Лекции

7.1 Разделы и их содержание

Раздел 1. Предмет дисциплины и ее задачи. Основные этапы развития электроники. За-

дачи и принципы микроэлектроники. Полупроводниковые приборы как основные функцио-

нальные элементы микроэлектроники. Роль материалов в развитии элементной базы микро-

электроники. Классификация п/п приборов, элементов и компонентов интегральных микро-

схем. Параметры и характеристики приборов. Носители заряда и токи в полупроводниках.

Уравнение Пуассона, уравнение непрерывности.

Раздел 2. Физические процессы на поверхности твердого тела. Поверхностные энерге-

тические уровни. Изгиб энергетических зон вблизи поверхности. Длина экранирования Де-

бая. 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 металл-

полупроводник, гетеропереходы.

Контакт полупроводник-полупроводник. Виды контактов. Образование и энергетиче-

ская диаграмма электронно-дырочного перехода (ЭДП). Равновесное состояние ЭДП. Высо-

та потенциального барьера и контактная разность потенциалов ЭДП. Резкий и плавный

ЭДП. Распределение напряженности и потенциала электрического поля в ЭДП. Соотноше-

ния 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 соотноше-

ния 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 элек-

трического поля в переходе металл-полупроводник. ВАХ перехода. Наличие туннельного

тока в выпрямляющих контактах перехода металл-полупроводник. Инжектирующие и не-

инжектирующие контакты. Барьерная емкость контакта.

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005

6

Требования к омическим контактам. Параметры омических контактов. Реальная струк-

тура 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 выпрям-

ляющий 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 вольт-

амперную характеристику. Генерация и рекомбинация носителей заряда в выпрямляющем

электрическом переходе диода. Влияние этих физических процессов на вольт-амперную ха-

рактеристику диода.

Пробой диода. Виды пробоя. Обратимые и необратимые пробои. Тепловой пробой дио-

да. Условия, вызывающие тепловой пробой. Соотношение, выполнение которого приводит к

наличию участка на ВАХ, соответствующего отрицательному дифференциальному сопро-

тивлению диода. Особенности теплового пробоя в реальных диодах, связанные со «шнуро-

ванием» 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 элек-

трофизических параметров в базе. Модуляция сопротивления базы диода.

Разновидности п/п диодов: выпрямительные диоды, стабилитроны, стабисторы, тун-

нельные 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.

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005

7

Диоды с резким восстановлением обратного сопротивления.

Полупроводниковые приборы с использованием междолинного перехода носителей за-

ряда. Физические процессы, приводящие к появлению отрицательного дифференциального

сопротивления при междолинном переходе электронов. Оценка времени формирования до-

мена, 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 бездрейфо-

вые транзисторы. Схемы включения и принцип действия транзистора. Распределение ста-

ционарных потоков носителей заряда в структуре транзистора. Статические характеристики

транзистора в схеме с общей базой и с общим эмиттером. Параметры транзисторов. Физиче-

ские явления, приводящие к зависимости различных параметров транзистора и его эквива-

лентной 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 включе-

ния. Смыкание переходов. Вторичный пробой. Ограничение плотности тока через коллек-

торный 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. Физиче-

ские явления, ограничивающие диапазон рабочих частот транзистора. Зависимость коэффи-

циента передачи от частоты. Шумы в транзисторах. Зависимость коэффициента шума от то-

ка эмиттера, напряжения на коллекторе и частоты.

Надежность транзисторов. Причины отказов.

Раздел 5. Влияние размерных эффектов на свойства полупроводниковых приборов. Фи-

зические ограничения на размеры элементов интегральных микросхем. Структура инте-

гральных 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.

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005

8

Раздел 6. Структура и основные разновидности тиристоров. Принцип действия и ос-

новные 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. Распро-

странение включенного состояния по площади тиристорной структуры. Переходные про-

цессы при включении и выключении тиристоров.

Раздел 7. Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим элек-

тронно-дырочным переходом или барьером Шоттки. Физические процессы, определяющие

статические характеристики, частотные свойства и основные параметры полевых транзи-

сторов с управляющими переходами.

Идеализированная структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Физические

явления в приповерхностной области полупроводника при приложении напряжения к МДП-

стуктуре. Энергетические диаграммы и распределение зарядов. Ёмкость приповерхностной

области полупроводника (области объемного заряда). Вольт-фарадная характеристика. По-

левые 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 по-

тенциальных ям в секции переноса ПЗС под влиянием внешнего электрического поля. По-

верхностные 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 фото-

элементы. Фототранзисторы. Оптопары. Структура оптопар: светоизлучающие элементы и

фотоприемники; принцип действия и основные свойства. Оптоэлектронные ИМС и инте-

гральная оптика.

Терморезисторы. Вольт - амперная характеристика термистора в параметрическом ви-

де. Анализ системы уравнений для вольт - амперной характеристики термистора. Коэффи-

циент температурной чувствительности и его связь с энергией ионизации примесей или ши-

риной запрещенной зоны полупроводника. Позисторы.

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005

9

Варисторы. Вольт - амперная характеристика варистора из карбида кремния. Анализ

системы уравнений для вольт - амперной характеристики. Связь коэффициента нелинейно-

сти 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 максималь-

ная разность температур между горячими и холодными спаями термоэлементов при их ра-

боте в холодильных установках. Полупроводниковые подогреватели на эффекте Пельтье.

Полупроводниковые гальваномагнитные приборы. Связь коэффициента Холла и пара-

метров преобразователей Холла с параметрами исходного полупроводника. Магниторези-

сторы. Магнитодиоды. Магнитотранзисторы. Тензорезисторы и тензодатчики. Элементы

магнитоэлектроники. Магнитные эффекты в тонких магнитных пленках. Цилиндрические

магнитные домены. Принципы построения запоминающих и логических элементов на ци-

линдрических 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 транзи-

стора.

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 авто-матизированной); расчет параметров и характеристик, офрмление отчетов.

РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005

10

12 Методические материалы.

12.1. Абрамов В.Б., Медведев С.П. Исследование физических свойств p-n-переходов. 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 из-менений

Учебный

год

Учебная группа

Решение кафедры

(№ протокола, дата,

подпись зав. кафедрой)

Решение выпус кающей кафедры

(№ протокола, дата, подпись зав. кафедрой)

Лектор

Изменение,

№

Примечание - Тексты изменений прилагаются