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
- Левинштейн М.Е., Симин Г.С. "Знакомство с
полупроводником" Библиотека. Квант. Выпуск 33.
Наука М. 1984
- Левинштейн М.Е. Симин Г.С. "Барьеры"
Библиотека. Квант. Выпуск 65. Наука М. 1987
- Солимар Л., Уолш Д. "Лекции по электрическим
свойствам материалов" М. Мир, 1991
Основные учебники
- Гапонов В.И. "Электроника" Часть 1 Физматгиз
М. 1960
- Гапонов В.И. "Электроника" Часть 2 Физматгиз
М. 1960
- Орешкин П.Т. "Физика полупроводников и
диэлектриков" Высш.школа М. 1977
- Овечкин Ю.А. "Полупроводниковые приборы"
Высш. школа М.1986
- Степаненко И.П. "Основы микроэлектроники"
Сов. радио М. 1980
- Степаненко И.П. "Основы теории транзисторов и
транзисторных схем" Энергия. М. 1977
- Митрофанов О.В., Симонов Б.М., Коледов Л.А.
"Физические основы функционирования изделий
микроэлектроники" Микроэлектроника. Высшая
школа, М., 1987
- Пасынков В.В.,Чиркин Л.К.,Шинков А.П.,
"Полупроводниковые приборы" Высшая школа,
М., 1981
- Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А.
"Полупроводниковые приборы"
Энергоатомиздат, М., 1990
- Федотов Я.А."Основы физики полупроводниковых
приборов" Сов.Радио М. 1969
- Зи С. "Физика полупроводниковых приборов"
т. 1, т. 2, Мир. М., 1984
- Кремлев В.Я. "Физикотопологическое
моделирование структур элементов БИС" Высшая
школа, М., 1990
Вспомогательные учебники
- Шалимова К.В. "Физика полупроводниковых
приборов" Энергия М. 1971
- Маллер Р., Крейминс Т. "Элементы интегральных
схем"
- Ржевкин К.С. "Физические принципы действия
полупроводниковых приборов" МГУ, М., 1986
- Ефимов Е.И., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И.
"Микроэлектроника. Физические и
технологические основы. Надежность." Высшая
школа, М., 1986
- Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И.
"Микроэлектроника. Проектирование, виды
микросхем, функциональная микроэлектроника.
Высшая школа, М., 1987
- Росадо Л. "Физическая электроника и
микроэлектроника" М. Высшая школа, 1991
- Пикус Г.Е. "Основы теории полупроводниковых
приборов" Наука, М., 1965
Учебные пособия
- 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
- 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
- Гапонов В.И., Ашбель И.Я. "Электроника
полупроводниковых приборов" Учебное пособие.
ГГУ, Горький, 1983
- Гапонов В.И. "Конспект лекций по
электронике", Учебное пособие, Выпуск первый,
ГГУ, Горький, 1973. Лабораторные работы
- Грошков Л.М. "Статические характеристики и
параметры полевого транзистора" ГГУ, Горький,
1989
- Цимринг Ш.Е., Битюрин Ю.А."Статические
характеристики и параметры биполярного
транзистора" ГГУ, Горький, 1984
- Ашбель И.Я."Статические характеристики и
параметры полупроводникового диода" ГГУ,
Горький 1983
- Павлов Г.П."Измерение времени жизни и
диффузионной длины неравновесны носителей тока
в полупроводниках", ГГУ, Горький, 1985
- Петров Г.П."Измерение ширины запрещенной зоны
полупроводников", ГГУ, Горький, 1984
- Петров С.Г., Чириманов А.П." Измерение
концентраций носителей тока", Горький, 1984
Лабораторные работы - дополнительная
литература
- Кучис Е.В."Методы исследования эффекта
Холла", Сов.Радио М. 1974
- Остробородова В.В., Егоров В.Д."Спецпрактикум
по физике полупроводников", МГУ, М., 1974
- Б.А. "Физика твердого тела", под. ред.
Струкова Б.А., МГУ, М., 1983
- Батаван В.В., Концевой Ю.А.,Федорович Ю.В.
"Измерение параметров полупроводниковых
материалов и структур" Радио и связь, М., 1985
- Павлов Л.П. "Методы измерения параметров
полупроводниковых приборов" Высшая школа, М.,
1987
- Павлов Л.П. "Методы определения основных
параметров полупроводниковых
материалов",Высшая школа, 1975
Книги для дальнейшего изучения.
- Зеегер К. "Физика полупроводниковых
приборов" Мир, М., 1977
- Смит Р. "Полупроводники" Мир, М., 1982
- Фистуль В.И."Введение в физику
полупроводников" Высшая школа, М., 1984
- Шалобутов Ю.К."Введение в физику
полупроводников" Наука, Л., 1969
- Викулин И.М.,Стафеев В.И."Физика
полупроводниковых приборов" Радио и связь М.
1990
- Пожела Ю., Юцене В. "Физика
сверхбыстродействующих транзисторов"
Мокслас, Вильнюс, 1985
- Блатт Ф. "Физика электронной проводимости в
твердых телах" Мир, М., 1971
- Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. "Физика
полупроводниковых приборов" Наука, М., 1977
- Киттель Ч."Элементарная физика твердого
тела" Наука М. 1965
- Займан Дж."Принципы теории твердого тела"
Мир, М., 1966
- Киреев П.С. "Физика полупроводников" Высшая
школа, М., 1969
- Ансельм А.И. "Введение в теорию
полупроводников" Наука М. 1978
РАБОЧИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ (час.)
- Кристаллическая структура твердого тела. 1
- Зонная структура твердых тел. 1
- Статистика электронов в твердом теле. 1
- Колебания решетки. 1
- Перенос и рассеяние носителей в
полупроводниках. 2
- Неравновесные явления в полупроводниках. 1
- Процессы переноса в неоднородных
полупроводниках. 2
- Теория p-n перехода. 4
- Устройства на базе диода. 1
- Биполярный транзистор. 4
- Работа биполярного транзистора в схеме. 1
- Явления на резкой границе раздела материалов. 1
- Полевой транзистор с p-n преходом. 4
- Полевой транзистор металл-полупроводник. 2
- Полевой транзистор
металл-окисел-полупроводник. 2
- Работа полевых транзисторов в схеме. 1
- Полупроводниковые приборы СВЧ диапазона. 3
- Оптоэлектронные приборы. 2
ПРОГРАММА МИНИМУМ
- Зонная структура твердых тел.
- Статистика электронов в твердом теле.
- Перенос и рассеяние носителей в
полупроводниках.
- Теория p-n перехода.
- Устройства на базе диода.
- Биполярный транзистор.
- Работа биполярного транзистора в схеме.
- Полевой транзистор.
- Работа полевых транзисторов в схеме.
- Полупроводниковые приборы СВЧ .
- Оптоэлектронные приборы.
Автор: В. А. Козлов
Зав. кафедрой, профессор: С. В. Гапонов
Председатель методкомиссии: В. Г Гавриленко