Магистратура
2019/2020
Электронная компонентная база
Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»
Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»
Статус:
Курс адаптационный (Инжиниринг в электронике)
Направление:
11.04.04. Электроника и наноэлектроника
Кто читает:
Департамент электронной инженерии
Когда читается:
1-й курс, 1, 2 модуль
Формат изучения:
без онлайн-курса
Преподаватели:
Лысенко Александр Павлович
Прогр. обучения:
Инжиниринг в электронике
Язык:
русский
Кредиты:
4
Контактные часы:
48
Программа дисциплины
Аннотация
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки направления 11.04.04 - Электроника и наноэлектроника, обучающихся по магистерской программе «Инжиниринг в электронике», изучающих дисциплину «Электронная компонентная база». Программа разработана в соответствии с: • Федеральным государственным образовательным стандартом по направлению подготовки магистра 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника»; • Образовательной программой подготовки магистра 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника»; • Рабочим учебным планом университета по направлению подготовки магистра 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», магистерской программой «Инжиниринг в электронике», утвержденным в 2015 г.
Цель освоения дисциплины
- Целями освоения дисциплины «Электронная компонентная база» является формирование у студентов представлений о физике твердого тела, знаний о видах и назначении электронной компонентной базы современных и перспективных изделий микро- и наноэлектроники, назначении, принципах работы, математических моделях полупроводниковых приборов различных типов и других электронных компонентов.
Планируемые результаты обучения
- Знает основные параметры полупроводниковых материалов и способы их регулирования
- Представляет связи между явлениями в твердых телах и структурах микроэлектроники.
- Способен работать с информацией: находить, оценивать и использовать информацию из различных источников, необходимую для решения научных и профессиональных задач (в том числе на основе системного подхода)
- Способен выявлять научную сущность проблем в профессиональной области
- Способен оценивать потребность в ресурсах и планировать их использование при решении задач в профессиональной деятельности
- Способен применять физико-математический аппарат для разработки методик и проведения теоретических и экспериментальных исследований изделий электронной техники, интерпретировать и представлять их результаты.
- Применяет теоретические знания в практике моделирования полупроводникового прибора
- Способен к самостоятельному освоению новых методов исследования, изменению научного и научно-производственного профиля своей деятельности
- Способен решать проблемы в профессиональной деятельности на основе анализа и синтеза
- Применяет знания теории при решении практических задач научного и экспериментального плана
- Знает принципы работы базовых элементов компонентной базы микроэлектроники
- Знает зонную теорию кристаллов
- Владеет методологией системного и критического анализа проблемных ситуаций
- Владеет методиками постановки цели, определения способов ее достижения, разработки стратегий действий
- Владеет инструментами моделирования полупроводниковых приборов
Содержание учебной дисциплины
- Тема №1. Зонная теория кристаллов и статистика равновесных и неравновесных носителей заряда в кристаллахОбобществление электронов в твердых телах. Свойства энергетического спектра электронов, энергетические зоны. Дисперсионные зависимости. Групповая скорость движения электронов. Движение электронов под действием внешней силы. Эффективная масса носите-лей заряда. Периодические граничные условия. Число состояний в зоне. Заполнение зон электро-нами и деление тел на металлы, диэлектрики и полупроводники. Дырки в полупроводниках. Примесные атомы в полупроводниках. Водородоподобная модель. Донорные и акцепторные полупроводники. Функции плотности состояний для нижней части зоны проводимости и верхней части валентной зоны. Функция распределения Ферми – Дирака. Эффективная масса плотности со-стояний. Полная функция распределения. Вырожденные и невырожденные полупроводники. Функция распределения Максвелла – Больцмана. Зависимость концентраций электронов и дырок в полупроводнике от энергии Ферми. Энергия Ферми и концентрация свободных носителей заряда в собственном полупроводнике. Примесные полупроводники. Мелкая донорная примесь. Концентрация свободных но-сителей заряда и энергия Ферми в области слабой ионизации примеси и в области истощения примеси. Переход к собственной проводимости. Акцепторные полупроводники. Сильно легированные полупроводники. Компенсированные полупроводники. Многозарядные примесные центры. Генерация и рекомбинация носителей заряда. Равновесные и неравновесные носители заряда в полупроводниках. Неравновесная функция распределения. Квазиуровни Ферми. Время жизни носителей заряда.
- Тема №2. Проводимость кристаллических телКинетическое уравнение Больцмана. Приближение времени релаксации. Эффективное сечение рассеяния. Типы центров рассеяния. Рассеяние на ионах примеси, на атомах примеси и дислокациях. Понятие о нормальных колебаниях решетки. Фононы. Рассеяние на тепловых колебаниях решетки. Дрейф носителей заряда в электрическом поле. Электропроводность полупроводников. Зависимость подвижности носителей и электропроводности полупроводников от температуры. Дрейф в сильном электрическом поле.
- Тема №3. Контакт металл-полупроводникТермоэлектронная эмиссия. Контактная разность потенциалов. Понятие плотного и не плотного электрического контакта. Выпрямляющий контакт к n- и p-полупроводнику: равновесная энергетическая диаграмма контакта, эпюры плотности объемного заряда и электрического поля, состояние термодинамического равновесия, изменение энергетической диаграммы контакта при смещении, вольт-амперная характеристика контакта. Анти-запорные контакты к полупроводнику: равновесная энергетическая диаграмма контакта, прохождение тока через контакт. Омические контакты к полупроводникам.
- Тема №4. Физические процессы в p-n-переходеМетоды создания p-n-перехода. Равновесная энергетическая диаграмма. Контактная разность потенциалов в p-n-переходе. Решение уравнения Пуассона для области объемного заряда p-n-перехода. Эпюры плотности объемного заряда, электрического поля и потенциала в зоне перехода в равновесном состоянии. Равновесная толщина области объемного заряда. Изменение слоя объемного заряда под действием внешнего смещения, зарядовая (или барьерная) емкость p-n-перехода. Состояние термодинамического равновесия p-n-перехода. Нарушение термодинамического равновесия p-n-перехода под действие внешнего смещения. Качественная картина проводимости p-n-перехода при прямом и обратном смещении. Понятие инжекции и экстракции. Вольт-амперная характеристика «тонкого» p-n-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 p-n-перехода: тепловой пробой, лавинный пробой, туннельный пробой. Частотные и импульсные свойства p-n-перехода. Диффузионная емкость p-n-перехода.
- Тема №5. Биполярные транзисторыПараметры 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. Конструктивно-технологические особенности мощных транзисторов. Биполярные транзисторы как элементы интегральных микросхем.
- Тема №6. Полевые транзисторы с управляющим переходомПолевые транзисторы с управляющим p-n-переходом. 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. Конструктивно-технологические особенности и основные параметры. ПТШ как элементы интегральных микросхем на основе арсенида галлия.
- Тема №7. МДП-транзисторыЭффект электрического поля в полупроводниках. Идеальная структура металл-диэлектрик-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. 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. МДП-транзисторы как элементы интегральных микросхем. Приборы с зарядовой связью (ПЗС).
- Тема №8. СВЧ-генераторные диодыДиоды Ганна. Лавинно-пролетные диоды. Туннельные диоды.
- Тема №9. Фотоэлектрические приборыСветодиоды и твердотельные лазеры. Фотодетекторы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры). Солнечные батареи.
Элементы контроля
- Активность на семинарахЭлемент контроля не подлежит пересдаче, вес элемента - менее 30%.
- Домашнее заданиеЭлемент контроля не подлежит пересдаче, вес элемента - менее 30%.
- ЭкзаменДанная дисциплина обеспечивает формирование следующих компетенций согласно ОрОС: УК-1, УК-3, УК-6, ОПК-2, ПК-1, ПК-2
- Контрольная работа
Промежуточная аттестация
- Промежуточная аттестация (2 модуль)0.25 * Активность на семинарах + 0.13 * Домашнее задание + 0.12 * Контрольная работа + 0.5 * Экзамен
Список литературы
Рекомендуемая основная литература
- Биополярные транзисторы. : учеб. пособие, Лысенко, А. П., 2006
- Полупроводниковые приборы : учеб. пособие, Пасынков, В. В., 2006
- Твердотельная электроника : учебник для вузов, Епифанов, Г. И., 1986
- Физические процессы в р-n-переходе : учеб. пособие, Лысенко, А. П., 2009
Рекомендуемая дополнительная литература
- Введение в теорию полупроводников : учеб. пособие для вузов, Ансельм, А. И., 2008
- Оптическая и квантовая электроника : учебник, Пихтин, А. Н., 2001