Государственный комитет Российской Федерации
по высшему образованию
Нижегородский государственный университет
им.Н.И.Лобачевского

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
по общему курсу
" ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА "

для направления подготовки
"физика"
и
по специальности
"радиофизика и электроника"

Курс: 3,4
Семестр: 6,7
Лекции: 34час.
Зачет: 6 семестр
Экзамен: 7 семестр.

Программа составлена доцентом кафедры электроники к.ф.-м.н. В.А. Козловым.

Н.Новгород 1997

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
" ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА "

1. Учебные цели курса.

Сейчас уже невозможно представить жизнь современного человека без использования им полупроводниковых приборов почти во всех аспектах его активной деятельности, и даже в развлечениях; поэтому физик, а тем более радиофизик, только тогда может претендовать в глазах граждан на звание специалиста, когда он понимает как работают полупроводниковые приборы и как они могут быть применены для решения возникающих пред ним задач.

Курс " Полупроводниковая электроника " является одним из завершающих в системе подготовки бакалавра физических наук по специальности радиофизика.

Цель курса - обеспечить ясное понимание студентами современных методов описания твердых тел и, в частности, полупроводников, а также сформировать у студентов представление о принципах работы, методах изготовления и озможностях применеия полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

2. Учебные задачи курса.

При изучении курса студенты должны освоить следующие разделы.

а) Физика твердого тела:

- кристаллическая структура твердого тела,
- зонная структура твердого тела,
- статистика электронов в твердом теле,
- колебания решетки,
- рассеяние и пренос носителей заряда в однородных полупроводниках,
- диффузия и перенос заряда в неоднородных полупроводниках,
- неравновесные явления в поупроводниках,
- явления на поверхности и границе раздела материалов,
- туннелирование носителей,

б) Теория полупроводниковых приборов:

- теория p-n перехода,
- теория биполярного транзистора,
- теория полевого транзистора,
- принципы работы полупроводниковых СВЧ приборов,
- принципы работы оптоэлектронных приборов.

в) Использование полупроводниковых приборов в электронных схемах

- базовые элементы цифровых микросхем,
- полупроводниковые приборы в аналоговых микросхемах.

Полученные в лекционном курсе знания используются студентами на практических занятиях для изучения режимов работы и возможностей применения полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

3. Дисциплины, знание которых необходимо для усвоения курса.

Курс базируется на знаниях студентов, приобретенных в курсах общей физики и математики, а также на базовых курсах квантовой механики и статистической физики.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
" ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА "

Программа курса

1. Кристаллическая структура твердого тела.
1.1 Кристаллическая решетка.
1.2 Элементарная ячейка.
1.3 Прямая и обратная решетка.
1.4 Решетка Браве.
1.5 Ячейка Вигнера-Зейтца.
1.6 Разложение по плоским волнам.
2. Зонная структура твердых тел.
2.1 Уравнение Шредингера для периодического потенциала.
2.2 Теорема Блоха.
2.3 Локализованные и делокализованные волновые функции.
2.4 Зоны Бриллюэна.
2.5 Модель Кронига-Пенни.
2.6 Закон дисперсии.
2.7 Зонная структура полупроводников Si, Ge, GaAs.
2.8 Движение свободных носителей.
2.9 Эффективная масса носителей.
2.10 Электроны и дырки в полупроводниках.
3. Статистика электронов в твердом теле.
3.1 Заселение состояний электронами.
3.2 Уровень Ферми.
3.3 Работа выхода.
3.4 Типы твердых тел: металлы, диэлектрики, полупроводники.
3.5 Зависимость концентрации носителей и уровня Ферми от температуры:
- в собственных полупроводниках,
- в примесных полупроводниках,
- в компернсированных полупроводниках,
3.6 Собственная проводимость.
3.7 Область истощения примесей.
3.8 Примесная проводимость.
3.9 Основные и неосновные носители заряда.
3.10 Способы управления проводимостью в полупроводниках.
4. Колебания решетки.
4.1 Колебания простой цепочки.
4.2 Колебания сложной цепочки.
4.3 Акустические и оптические фононы.
4.5 Подольные и поперечные колебания.
4.5 Законы дисперсии для трехмерной решетки.
5. Перенос и рассеяние носителей в однородных полупроводниках.
5.1 Кинетическое уравнение Больцмана.
5.2 Механизмы рассеяния:
- примесное рассеяние,
- рассеяние на акустических фононах,
- рассеяние на оптических фононах,
- рассеяние на дефектах,
- электрон-электронное рассеяние.
5.3 Описание движения носителей в слабых полях.
5.4 Подвижность носителей.
5.5 Эффект Холла.
6. Неравновесные явления в полупроводниках.
6.1 Разогрев электронного газа в полупроводниках.
6.2 Время релаксации импульса и энергии.
6.3 Фотоионизация и фотопроводимость.
6.3 Механизмы рекомбинации носителей.
6.5 Время жизни фотовозбужденных носителей.
7. Процессы переноса в неоднородных полупроводниках.
7.1 Диффузия свободных ностелей заряда.
7.2 Ток диффузии.
7.3 Ток дрейфа.
7.4 Возникновение внутреннего поля в неоднородном полупроводнике.
7.5 Соотношения Эйнштейна.
7.6 Система уравнений для описания потенциалов, полей и токов.
7.7 Максвелловская релаксация основных носителей.
7.8 Время жизни неосновных носителей заряда.
7.9 Диффузионная длина.
8. Теория p-n перехода.
8.1 Резкий и диффузный p-n переходы.
8.2 Уравнения для резкого p-n перехода.
8.3 Структура поля и потенциала в переходе.
8.4 Распределение концентрации основных и неосновных носителей.
8.5 Переход в состоянии равновесия.
8.6 Обедненный слой.
8.7 Диод под внешним напряжением.
8.8 Формула Шокли.
8.9 Вольт-амперные характеристики.
8.10 Барьерная емкость перехода.
8.11 Пробой p-n перехода.
9. Устройства на базе диода.
9.1 Выпрямители.
9.2 Стабилизаторы.
9.3 Варисторы.
9.4 Варакторы.
9.5 Диоды с накоплением заряда.
10. Биполярный транзистор.
10.1 Типы транзисторов.
10.2 Теория работы транзистора.
10.3 Токи созданные основными и неосновными носителями.
10.4 Вольт-амперные характеристики.
10.5 Модель Эберса-Молла.
10.6 Параметры для описания транзисторов.
11 Работа биполярного транзистора в схеме.
11.1 Режимы работы биполярного транзистора.
11.2 Схемы включения транзисторов.
11.3 Базовые элементы логики.
11.4 Высокочастотные свойства.
12. Явления на резкой границе раздела материалов.
12.1 Контакт металл-полупроводник.
12.2 Барьер Шоттки.
12.3 Омический контакт.
12.4 Структура металл-диэлектрик-полупроводник.
12.5 Структура металл-окисел-полупроводник.
12.6 Плотность поверхностных состояний.
12.7 Гетеропереход.
12.8 Туннелирование.
13. Полевой транзистор с p-n преходом.
13.1 Эффект поля.
13.2 Распределение потенциала и поля в приборе.
13.3 Расчет статических вольт-амперных характеристик.
13.4 Типы и основные параметры транзисторов.
13.5 Высокочастотные свойства.
14. Полевой транзистор металл-полупроводник.
14.1 Принцип работы транзистора.
14.2 Распределение потенциала и поля в приборе.
14.3 Расчет статических вольт-амперных характеристик.
14.4 Типы и основные параметры транзисторов.
14.5 Высокочастотные свойства.
15. Полевой транзистор металл-окисел-полупроводник.
15.1 Принцип работы транзистора.
15.2 Распределение потенциала и поля в приборе.
15.3 Расчет статических вольт-амперных характеристик.
15.4 Типы и основные параметры транзисторов.
15.5 Высокочастотные свойства.
16. Работа полевых транзисторов в схеме.
16.1 Основные способы включения транзисторов.
16.2 Комплиментарные схемы.
16.3 Базовые элементы логики.
17. Полупроводниковые приборы СВЧ диапазона.
17.1 Туннельный диод.
17.2 Лавинно-пролетный диод.
17.3 Генератор Ганна.
18. Оптоэлектронные приборы.
18.1 Фотодетекторы.
18.1 Модуляторы.
18.3 Полупроводниковые лазеры.
18.4 Солнечные батареи.

ЛИТЕРАТУРА ПО КУРСУ

Популярная литература

  1. Левинштейн М.Е., Симин Г.С. "Знакомство с полупроводником" Библиотека. Квант. Выпуск 33. Наука М. 1984
  2. Левинштейн М.Е. Симин Г.С. "Барьеры" Библиотека. Квант. Выпуск 65. Наука М. 1987
  3. Солимар Л., Уолш Д. "Лекции по электрическим свойствам материалов" М. Мир, 1991

Основные учебники

  1. Гапонов В.И. "Электроника" Часть 1 Физматгиз М. 1960
  2. Гапонов В.И. "Электроника" Часть 2 Физматгиз М. 1960
  3. Орешкин П.Т. "Физика полупроводников и диэлектриков" Высш.школа М. 1977
  4. Овечкин Ю.А. "Полупроводниковые приборы" Высш. школа М.1986
  5. Степаненко И.П. "Основы микроэлектроники" Сов. радио М. 1980
  6. Степаненко И.П. "Основы теории транзисторов и транзисторных схем" Энергия. М. 1977
  7. Митрофанов О.В., Симонов Б.М., Коледов Л.А. "Физические основы функционирования изделий микроэлектроники" Микроэлектроника. Высшая школа, М., 1987
  8. Пасынков В.В.,Чиркин Л.К.,Шинков А.П., "Полупроводниковые приборы" Высшая школа, М., 1981
  9. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. "Полупроводниковые приборы" Энергоатомиздат, М., 1990
  10. Федотов Я.А."Основы физики полупроводниковых приборов" Сов.Радио М. 1969
  11. Зи С. "Физика полупроводниковых приборов" т. 1, т. 2, Мир. М., 1984
  12. Кремлев В.Я. "Физикотопологическое моделирование структур элементов БИС" Высшая школа, М., 1990

Вспомогательные учебники

  1. Шалимова К.В. "Физика полупроводниковых приборов" Энергия М. 1971
  2. Маллер Р., Крейминс Т. "Элементы интегральных схем"
  3. Ржевкин К.С. "Физические принципы действия полупроводниковых приборов" МГУ, М., 1986
  4. Ефимов Е.И., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. "Микроэлектроника. Физические и технологические основы. Надежность." Высшая школа, М., 1986
  5. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. "Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. Высшая школа, М., 1987
  6. Росадо Л. "Физическая электроника и микроэлектроника" М. Высшая школа, 1991
  7. Пикус Г.Е. "Основы теории полупроводниковых приборов" Наука, М., 1965

Учебные пособия

  1. Ашбель И.Я.,Грошков Л.М.,Павлов Г.П., Павельев В.Г., Цимринг Ш.Е. "Физика полупроводников и полупроводниковые приборы" Часть 1 ГГУ, Горький, 1985
  2. Ашбель И.Я.,Грошков Л.М.,Павлов Г.П., Павельев В.Г., Цимринг Ш.Е. "Физика полупроводников и полупроводниковые приборы" Часть 2 ГГУ, Горький, 1985
  3. Гапонов В.И., Ашбель И.Я. "Электроника полупроводниковых приборов" Учебное пособие. ГГУ, Горький, 1983
  4. Гапонов В.И. "Конспект лекций по электронике", Учебное пособие, Выпуск первый, ГГУ, Горький, 1973. Лабораторные работы
  5. Грошков Л.М. "Статические характеристики и параметры полевого транзистора" ГГУ, Горький, 1989
  6. Цимринг Ш.Е., Битюрин Ю.А."Статические характеристики и параметры биполярного транзистора" ГГУ, Горький, 1984
  7. Ашбель И.Я."Статические характеристики и параметры полупроводникового диода" ГГУ, Горький 1983
  8. Павлов Г.П."Измерение времени жизни и диффузионной длины неравновесны носителей тока в полупроводниках", ГГУ, Горький, 1985
  9. Петров Г.П."Измерение ширины запрещенной зоны полупроводников", ГГУ, Горький, 1984
  10. Петров С.Г., Чириманов А.П." Измерение концентраций носителей тока", Горький, 1984

Лабораторные работы - дополнительная литература

  1. Кучис Е.В."Методы исследования эффекта Холла", Сов.Радио М. 1974
  2. Остробородова В.В., Егоров В.Д."Спецпрактикум по физике полупроводников", МГУ, М., 1974
  3. Б.А. "Физика твердого тела", под. ред. Струкова Б.А., МГУ, М., 1983
  4. Батаван В.В., Концевой Ю.А.,Федорович Ю.В. "Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур" Радио и связь, М., 1985
  5. Павлов Л.П. "Методы измерения параметров полупроводниковых приборов" Высшая школа, М., 1987
  6. Павлов Л.П. "Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов",Высшая школа, 1975

Книги для дальнейшего изучения.

  1. Зеегер К. "Физика полупроводниковых приборов" Мир, М., 1977
  2. Смит Р. "Полупроводники" Мир, М., 1982
  3. Фистуль В.И."Введение в физику полупроводников" Высшая школа, М., 1984
  4. Шалобутов Ю.К."Введение в физику полупроводников" Наука, Л., 1969
  5. Викулин И.М.,Стафеев В.И."Физика полупроводниковых приборов" Радио и связь М. 1990
  6. Пожела Ю., Юцене В. "Физика сверхбыстродействующих транзисторов" Мокслас, Вильнюс, 1985
  7. Блатт Ф. "Физика электронной проводимости в твердых телах" Мир, М., 1971
  8. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. "Физика полупроводниковых приборов" Наука, М., 1977
  9. Киттель Ч."Элементарная физика твердого тела" Наука М. 1965
  10. Займан Дж."Принципы теории твердого тела" Мир, М., 1966
  11. Киреев П.С. "Физика полупроводников" Высшая школа, М., 1969
  12. Ансельм А.И. "Введение в теорию полупроводников" Наука М. 1978

РАБОЧИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ (час.)

  1. Кристаллическая структура твердого тела. 1
  2. Зонная структура твердых тел. 1
  3. Статистика электронов в твердом теле. 1
  4. Колебания решетки. 1
  5. Перенос и рассеяние носителей в полупроводниках. 2
  6. Неравновесные явления в полупроводниках. 1
  7. Процессы переноса в неоднородных полупроводниках. 2
  8. Теория p-n перехода. 4
  9. Устройства на базе диода. 1
  10. Биполярный транзистор. 4
  11. Работа биполярного транзистора в схеме. 1
  12. Явления на резкой границе раздела материалов. 1
  13. Полевой транзистор с p-n преходом. 4
  14. Полевой транзистор металл-полупроводник. 2
  15. Полевой транзистор металл-окисел-полупроводник. 2
  16. Работа полевых транзисторов в схеме. 1
  17. Полупроводниковые приборы СВЧ диапазона. 3
  18. Оптоэлектронные приборы. 2

ПРОГРАММА МИНИМУМ

  1. Зонная структура твердых тел.
  2. Статистика электронов в твердом теле.
  3. Перенос и рассеяние носителей в полупроводниках.
  4. Теория p-n перехода.
  5. Устройства на базе диода.
  6. Биполярный транзистор.
  7. Работа биполярного транзистора в схеме.
  8. Полевой транзистор.
  9. Работа полевых транзисторов в схеме.
  10. Полупроводниковые приборы СВЧ .
  11. Оптоэлектронные приборы.

Автор: В. А. Козлов

Зав. кафедрой, профессор: С. В. Гапонов

Председатель методкомиссии: В. Г Гавриленко