litceysel.ru
добавить свой файл
1
Физические основы микроэлектроники


Программа курса


Осенний семестр – 15 лекций

Лекция 1 (1 час). Введение.

Ведение. Полупроводники в современной электронике и оптоэлектронике. Исторический обзор и перспективы микроэлектроники.


Лекция 2 (3 часа). Структура, методы роста и исследования полупроводников.

Структура кристаллов, анизотропия их физических свойств. Трансляционная симметрия и кристаллические решётки. Элементарная ячейка, базис. Примитивная ячейка, способ Вигнера-Зейтца построения примитивной ячейки. Способ задания кристаллографических плоскостей и направлений в кристалле. Индексы Миллера. Полярные и неполярные кристаллы. Основные типы кристаллических решёток полупроводников. Экспериментальные дифракционные методы исследования кристаллов. Закон Брэгга. Обратная решетка. Зоны Бриллюэна. Дефекты кристаллов: точечные дефекты, комплексы дефектов, дислокации, примеси. Методы роста полупроводников и полупроводниковых плёнок.


Лекция 3 (2 часа). Элементы зонной теории твердого тела.


Расщепление атомных уровней в зоны. Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории. Адиабатическое приближение, одноэлектронное приближение. Блоховские волны. Квазиимпульс, модель расширенных и приведённых зон Бриллюэна. Электрон в твердом теле как квазичастица (волновой пакет Блоховских волн). Энергетический спектр электрона в твёрдом теле. Минимумы и максимумы энергии в спектре, долины. Прямозонные и непрямозонные полупроводники. Зонная структура основных полупроводников (Si, Ge, GaAs). Эффективная масса, анизотропия. Понятие дырки. Некоторые экспериментальные методы определения зонной структуры.


Лекция 4 (2 часа). Статистика электронов и дырок в полупроводниках.

Тепловое возбуждение носителей заряда. Собственные и примесные полупроводники. Распределение Ферми-Дирака. Уровень Ферми. Невырожденные, вырожденные и сильно вырожденные полупроводники. Плотность состояний в особых точках зоны Бриллюэна. Эффективная масса плотности состояний. Зависимость концентрации свободных носителей заряда от температуры в собственных полупроводниках. Проблема очистки полупроводников.



Лекция 5 (2 часа). Примеси в полупроводниках.


Появление состояний в запрещённой зоне при введении примесей. Мелкие или водородоподобные примеси. Легированные полупроводники, понятие донора и акцептора. Электронейтральность, нахождение уровня Ферми при заданной концентрации доноров и акцепторов. Зависимость концентрации свободных носителей заряда от температуры в легированных полупроводниках. Истощение примеси.

Термосопротивление, болометры. Глубокие центры, компенсация. Отклонение от равновесного распределения. Время жизни неравновесных носителей. Понятие квази-уровня Ферми.


Лекция 6 (2 часа). Кинетические явления в полупроводниках.


Применимость зонной теории в слабых электрических полях. Приближение эффективной массы. Блоховские колебания. Рассеяние электронов и дырок, кинетическое уравнение Больцмана. Малые отклонения от равновесия, время релаксации. Асимметризация функции распределения внешней силой. Дрейфовая скорость. Приближение времени релаксации по импульсу. Подвижность. Проводимость.

Механизмы рассеяния носителей заряда, температурная зависимость подвижности. Модулированное легирование. Экспериментальные методы измерения удельного сопротивления. «Греющее» поле. Время релаксации по энергии, электронная и фононная температура. Насыщение дрейфовой скорости. Явления в сильном электрическом поле. Эффект Ганна.


Лекция 7 (2 часа). Термоэлектрические и термомагнитные явления. Диффузионный ток.

Эффект Холла и магнетосопротивление. Холловская подвижность. Квантование в сильном магнитном поле. Квантовый эффект Холла. Уровни Ландау. Циклотронный резонанс.

Диффузия. Соотношение Эйнштейна. Термоэлектрические и термомагнитные явления. Основные уравнения, описывающие движение свободных носителей в полупроводниках. Классификация времён релаксации в полупроводниках.

Лекция 8 (2 часа). Поверхность полупроводника, поверхностные состояния. Область пространственного заряда - ОПЗ. Гетерограница, гетероструктуры.


Поверхность как двумерный дефект (оборванные связи). Реконструкция поверхности, методы исследования реконструкции. Поверхностные (Таммовские) состояния. Проникновение поля в полупроводник, область пространственного заряда. Пиннинг уровня Ферми. Изгиб зон. Обогащение, обеднение, инверсия. Размер ОПЗ. Гетерограница, гетероструктуры.


Лекция 9 (2 часа). Контакт металл-полупроводник. Диод Шоттки.

Гетероструктура металл-полупроводник. Вольтамперная характеристика структуры металл-полупроводник, диодное приближение. Прямое и обратное смещение. Диод Шоттки. Ёмкость ОПЗ. Варикапы. Параметрический усилитель.


Лекция 10 (2 часа). P-n переход.

Способы создания p-n переходов. Энергетическая диаграмма p-n перехода. Вольт-амперные характеристики p-n переходов. Ударная ионизация и напряжение пробоя. Генерационный ток. Мощные полупроводниковые выпрямители, их быстродействие.


Лекция 11 (2 часа). Приборное применение
p-n переходов. Биполярный транзистор.

Приборное применение p-n переходов. Энергетическая диаграмма p-n-p переходов. Коллектор, база, эмиттер. Усиление по току. Быстродействие, частота отсечки.


Лекция 12 (2 часа). Эффект поля. МДП-транзистор.

Первые эксперименты по эффекту поля (исторический обзор). Роль границы раздела. Полевой транзистор с p-n переходом. МДП-транзистор. Встроенный и индуцированный канал. Основные характеристики МДП-транзистора.


Лекция 13 (2 часа). Приборы на основе МДП-струкур.

МДП-транзистор в режиме ключа. Широкоформатная микроэлектроника. Ячейки энергонезависимой памяти. Приборы с зарядовой связью.



Лекция 14 (2 часа). Элементы планарной технологии.

Гетерограница Si-SiO2 и её свойства. Рост кристаллов и плёнок, окисление. Металлизация, изоляция в СБИС, диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью. Фотолитография, селективное травление. Легирование и активация примеси.


Лекция 15 (2 часа). Проблемы и предельные параметры планарной технологии. Наноэлектроника.

Масштабирование при уменьшении планарных размеров. Диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью. Способы повышения быстродействия МДП-транзисторов, HEMT-транзисторы, увеличение подвижности индуцированное механическими напряжениями. Приборы на основе квантово-размерных структур.


Список литературы.


Вводная литература.


1.1. Левинштейн и Симин. «Знакомство с полупроводниками», библиотечка "Квант" выпуск 33, М.: Наука, 1984.

1.2. Левинштейн и Симин. «Барьеры», библиотечка "Квант" выпуск 65, М.: Наука, 1987.

1.3. Гинзбург И.Ф. «Введение в физику твёрдого тела»: Части 1-3, Новосибирск: НГУ, 1998.


Основная литература.


2.1. Зи С.М. «Физика полупроводниковых приборов»: в 2-х книгах. М.: Мир, 1984.

2.2. Росадо Л. «Физическая электроника и микроэлектроника», М.: Высшая школа, 1991.

2.3. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. «Физика полупроводников», М.: Наука, 1990.

2.4. Шалимова К.В. «Физика полупроводников», М.: Энергия, 1976.

2.5. Сугано Т, Икома Т, Такэиси Ё. «Введение в микроэлектронику», М.: Мир, 1988.

2.6. Питер Ю., Мануэль Кардона. «Основы физики полупроводников», М. Физматлит, 2002.


Дополнительная литература.

3.1. Красников Г.Я. «Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов»: в 2-х книгах. М.: Техносфера, 2002.


Программу разработал к.ф.-м.н. В.А. Володин.