микро и наноэлектроника

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Микро и наноэлектроника, направление подготовки 210600 «Нанотехнология», специальность 210602
«Наноматериалы», подготовки специалиста
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета «Высшая школа экономики»
Факультет Электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины Микро-и наноэлектроника
для направление подготовки 210602 «Нанотехнология», специальность 210602
«Наноматериалы», подготовки специалиста
Автор программы:
Лысенко А.П., докт.техн. наук, профессор, lap@miem.edu.ru
Одобрена на заседании кафедры "Электроника и наноэлектроника" «___»___________ 2012 г.
Зав. кафедрой ______________К.О. Петросянц
Рекомендована секцией УМС «Электроника»
Председатель __________________________
«___»___________ 2012 г.
Утверждена УС факультета Электроники и телекоммуникаций
Ученый секретарь________________________
«___»____________2012 г.
Москва, 2012
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями
университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Микро и наноэлектроника, направление подготовки 210600 «Нанотехнология», специальность
210602 «Наноматериалы», подготовки специалиста
1. Цели и задачи дисциплины
Содержание дисциплины направлено на ознакомление студентов с физическими
процессами, происходящими в различных твердотельных приборах дискретного и
интегрального исполнения.
2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Данная
дисциплина
относится
к
региональной
части
цикла
общепрофессиональных дисциплин ООП и взаимосвязана со следующими
дисциплинами: базируется на курсах «Физика конденсированного
состояния» и «Физика полупроводников»; является основой курсов
«Квантовая и оптическая электроника» и «Спецглавы физики твердого
тела».
3. В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: физические основы твердотельной и микроэлектроники: принципы
действия основных приборов – биполярных и полевых транзисторов,
тиристоров, СВЧ-диодов, их параметры и их конструктивные особенности
дискретного и интегрального исполнения.
Уметь: применять полученные знания при теоретическом анализе и
компьютерном моделировании устройств микроэлектроники.
Владеть: информацией об областях применения и перспективах развития
приборов и устройств твердотельной и микроэлектроники; методами
экспериментальных исследований параметров и характеристик приборов
твёрдотельной электроники; информацией об областях применения и
перспективах развития приборов.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Всего
часов
Семестры
8
9
Общая трудоемкость дисциплины
224
160
64
Аудиторные занятия (всего)
119
68
51
Лекции
68
34
34
Практические занятия (ПЗ)
17
17
Лабораторные работы (ЛР)
34
17
-
В том числе:
17
2
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Микро и наноэлектроника, направление подготовки 210600 «Нанотехнология», специальность
210602 «Наноматериалы», подготовки специалиста
Самостоятельная работа (всего)
105
В том числе:
92
13
-
Курсовая работа
13
Контрольные работы
6
3
2
Домашние работы
6
3
2
Другие виды самостоятельной работы
-
9
Подготовка к лабораторным работам
Промежуточная аттестация (экзамен)
+
Итоговая аттестация – зачет и экзамен по курсовой
+
работе
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
Наименование
раздела дисциплины
Введение
Содержание раздела
Об основных тенденциях развития
современной микроэлектроники
Термоэлектронная
эмиссия.
Контактная разность потенциалов. Понятие
плотного и не плотного электрического
контакта. Выпрямляющий контакт к п- и рполупроводнику:
равновесная
энергетическая диаграмма контакта, эпюры
плотности
объемного
заряда
и
электрического
поля,
состояние
термодинамического равновесия, изменение
энергетической диаграммы контакта при
смещении, вольт-амперная характеристика
контакта. Антизапорные контакты к
полупроводнику:
равновесная
энергетическая
диаграмма
контакта,
прохождение
тока
через
контакт.
Омические контакты к полупроводникам.
1
Контакт металлполупроводник
2.
Физические процессы Методы создания р-п-перехода. Равновесная
энергетическая диаграмма. Контактная разность
в р-п-переходе
потенциалов в р-п-переходе. Решение уравнения
Пуассона для области объемного заряда р-пперехода. Эпюры плотности объемного заряда,
электрического поля и потенциала в зоне перехода
3
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Микро и наноэлектроника, направление подготовки 210600 «Нанотехнология», специальность
210602 «Наноматериалы», подготовки специалиста
в равновесном состоянии. Равновесная толщина
области объемного заряда. Изменение слоя
объемного заряда под действием внешнего
смещения, зарядовая (или барьерная) емкость р-пперехода.
Состояние
термодинамического
равновесия
р-п-перехода.
Нарушение
термодинамического равновесия р-п-перехода под
действие внешнего смещения. Качественная
картина проводимости р-п-перехода при прямом и
обратном смещении. Понятие инжекции и
экстракции.
Вольт-амперная
характеристика
«тонкого» р-п-перехода. Влияние сопротивления
базы на вид вольт-амперной характеристики.
Влияние температуры на вид вольт-амперной
характеристики. Влияние процессов генерации и
рекомбинации в области объемного заряда на вид
вольт-амперной характеристики. Пробой р-пперехода: тепловой пробой, лавинный пробой,
туннельный пробой. Частотные и импульсные
свойства р-п-перехода. Диффузионная емкость р-пперехода.
3.
Простейшие
устройства
твердотельной
электроники:
выпрямительные
диоды,
диоды
Шоттки,
стабилитроны
4.
Биполярные
транзисторы
Классификация
полупроводниковых
диодов.
Структура
и
основные
элементы
полупроводникового
диода.
Назначение
выпрямительных диодов. Основные параметры
выпрямительных
диодов
и
факторы,
определяющие
эти
параметры.
Влияние
поверхностных состояний на вольт амперную
характеристику. Выпрямительные диоды Шотки.
Стабилитроны
и
стабисторы.
Назначение,
конструкция и принцип действия. Основные
параметры
стабилитронов.
Факторы,
определяющие эти параметры. Прецизионные
стабилитроны.
Структура, принцип действия, схемы
включения транзистора. Энергетическая диаграмма
при нормальном включении. Анализ схемы с ОБ,
усиление мощности. Усиление тока транзистором в
схеме с ОЭ. Коэффициенты передачи токов
эмиттера и базы. Зависимость коэффициента
передачи тока базы от режима и температуры.
Статические характеристики транзистора. Входные
и выходные характеристики, характеристики
передачи транзистора в схеме с общей базой и
общим эммитером. Сущность эффекта Эрли.
Пробой транзистора. Модель Эберса-Молла.
Влияние
температуры
на
статические
характеристики. Малосигнальные параметры и
эквивалентные схемы транзистора. Физические
4
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Микро и наноэлектроника, направление подготовки 210600 «Нанотехнология», специальность
210602 «Наноматериалы», подготовки специалиста
5
Полевые
транзисторы с
управляющим
переходом
6
МДПтранзисторы
схемы и собственные параметры. Параметры
транзистора как линейного четырехполюсника.
Зависимость малосигнальных параметров от
постоянной составляющей тока на входе и
напряжения на выходе. Частотные параметры
транзистора. Работа транзистора с нагрузкой.
Нагрузочная характеристика. Активный режим
работы. Ключевой режим работы транзистора.
Работа транзистора на импульсах. Переходные
процессы в транзисторе.
Классификация транзисторов по мощности
и по частоте. Методы формирования и основные
типы транзисторных структур. Конструктивнотехнологические
особенности
мощных
транзисторов. Биполярные транзисторы как
элементы интегральных микросхем.
Полевые транзисторы с управляющим р-ппереходом. Структура и принцип действия.
Статические
выходные
характеристики
и
характеристики
передачи.
Малосигнальные
параметры и эквивалентные схемы. Разновидности
полевых транзисторов.
Полевые транзисторы с управляющим
барьером
Шотки
(ПТШ).
Сравнительная
характеристика арсенида галлия и кремния.
Структура ПТШ. Принцип действия при работе в
режимах обогащения и обеднения канала.
Статические характеристики.
Конструктивнотехнологические
особенности
и
основные
параметры. ПТШ как элементы интегральных
микросхем на основе арсенида галлия.
Эффект
электрического
поля
в
полупроводниках. Идеальная структура металлдиэлектрик-полупроводник
(МДП-структура).
Энергетические диаграммы МДП-структуры в
режимах обогащения, обеднения и инверсии.
Пороговое напряжение. Особенности реальных
МДП-структур.
Структура, принцип действия и схемы
включения МДП-транзистора. Транзисторы с
индуцированным и со встроенным каналом.
Статические
выходные
характеристики.
Перекрытие канала. Напряжение насыщения.
Уравнения BAX для крутой и пологой частей
характеристик. Характеристики передачи. Влияние
температуры на статические характеристики.
Пробой транзистора.
Малосигнальные
параметры
и
эквивалентные
схемы
МДП-транзистора.
Частотные свойства. Переходные процессы в
МДП-транзисторе при работе в качестве
электронного ключа.
5
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Микро и наноэлектроника, направление подготовки 210600 «Нанотехнология», специальность
210602 «Наноматериалы», подготовки специалиста
Конструктивно-технологические
разновидности транзисторов. Эффекты короткого
канала
в
МДП-транзисторах.
Зависимость
порогового напряжения от длины канала и
напряжения на стоке. Особенности статических
характеристик короткоканальных транзисторов.
Транзисторы с самосовмещенным затвором. МДПтранзисторы
как
элементы
интегральных
микросхем. Приборы с зарядовой связью (ПЗС).
7
Тиристоры
8
СВЧгенераторные диоды
9
Структура и принцип действия диодного
тиристора. Энергетические диаграммы. Открытое и
закрытое
состояние.
Вольт-амперная
характеристика.
Суммарный
коэффициент
передачи тока тиристорной структуры. Пробой
тиристора. Диодый тиристор с зашунтированным
эмиттерным переходом.
Триодный тиристор. Принцип управления.
Условие переключения. Симметричный тиристор.
Способы управления тиристорами. Конструктивнотехнологические особенности
и параметры
тиристоров.
Диоды
Ганна.
Лавинно-пролетные
диоды.
Туннельные диоды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Интегральная микроэлектроника (основные
понятия)
6. Лабораторный практикум.
№
№
Наименование лабораторных работ
п раздела
/п
дисци
плины
1
2
Исследование барьерной емкости р-п-перехода
2
2
Влияние температуры на вид вольт-амперной
характеристики р-п-перехода
3
2
Исследование процессов восстановления обратного
сопротивления выпрямительного диода с р-п-переходом
4
3
Исследование основных параметров кремниевых
стабилитронов
5
4
Статические характеристики биполярного
транзистора в схеме с ОЭ
6
4
Исследование зависимости коэффициента
передачи тока базы от тока коллектора
7
5
Статические характеристики полевого
транзистора с управляющим р-п-переходом в схеме с
ОИ.
6
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Микро и наноэлектроника, направление подготовки 210600 «Нанотехнология», специальность
210602 «Наноматериалы», подготовки специалиста
8
6
Статические характеристики МДП-транзистора
7. Курсовая работа:
а) расчет р-п-перехода с различными исходными данными
б) расчет параметров планарно-эпитаксиального транзистора с
различными исходными данными.
8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
. Рекомендуемая литература:
а) основная литература:
1. А.П. Лысенко. Физические процессы в р-п-переходе. М. МИЭМ, 2009
2. В. В. Пасынков (8-е изд. испр.) Полупроводниковые приборы СПб.:
Лань, 2006.
.3. А.П. Лысенко. Твердотельная электроника. Методические указания к
курсовой работе. М. МИЭМ, 2011
4. А.П. Лысенко. Биполярные транзисторы. М. МИЭМ, 2006
5. В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин, А.Д. Полупроводниковые приборы.
СПб.: Лань, 2003.
6. А.П. Лысенко. Расчет дрейфового планарно-эпитаксиального
транзистор. Методические указания к курсовой работе. М. МИЭМ,
2005
7. А.П. Лысенко. Твердотельная электроника. Исследование влияния
температуры на вольтамперную характеристику выпрямительного
диода, Исследование барьерной емкости р-п-перехода, М. МИЭМ,
2011
8. А.П. Лысенко. Исследование основных параметров кремниевых
стабилитронов, М. МИЭМ, 2005
9. А.П. Лысенко. Исследование процессов восстановления обратного
сопротивления диода с р-п-переходом. М. МИЭМ, 2011
10. А.П. Лысенко. Исследование переходных процессов в
полупроводниковых диодах с р-п-переходом, М. МИЭМ, 1987
11. А.П. Лысенко. Исследование статических характеристик полевого
транзистора с управляющим р-п-переходом. М. МИЭМ, 2007
12. А.П. Лысенко. Исследование статических характеристик биполярного
транзистора. М. МИЭМ, 2007
б) дополнительная литература:
7
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Микро и наноэлектроника, направление подготовки 210600 «Нанотехнология», специальность
210602 «Наноматериалы», подготовки специалиста
1. .Р. Маллер, Т. Кейминс. Элементы интегральных схем. М.: Мир, 1989.
2. Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков. Полупроводниковые приборы.
М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984
в) программное обеспечение: Mathcad 13
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
 Компьютерный класс на 12 мест, оснащенный 12 персональными
компьютерами на базе процессоров Intel Pentium 4.
 Десять универсальных лабораторных стендов, каждый из которых
включает в себя следующий набор измерительных приборов:
осциллограф типа ФСК-1021
1шт
генератор синусоидального сигнала типа АНР-1002 1 шт
генератор прямоугольных импульсов типа Г5-54
1 шт
Источник стабилизированного питания типа АТН-2031
Цифровой вольтметр типа В7-27
2 шт
Цифровой измеритель тока и напряжения типа В7-40 1 шт
Цифровой измеритель тока и напряжения типа В7-21А
Внутренний универсальный источник питания
Каждый стенд оснащен сменными вставками для выполнения
соответствующих лабораторных работ.
Программа
составлена
в
соответствии
с
Государственным
образовательным
стандартом
высшего
профессионального образования
по направлению
подготовки
дипломированных специалистов 210600 «Нанотехнология».
Автор программы Лысенко А.П., д.т.н., профессор кафедры
"Электроника и наноэлектроника"
8