РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕНЗЕНСКИЙ ГОС...
89 downloads
168 Views
203KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ факультет естественнонаучный кафедра микроэлектроники
Рабочая программа дисциплины
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА по программе подготовки специалиста инженера по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 210000 – Электронная техника, радиотехника и связь специальности 210104 – Микроэлектроника и твердотельная электроника
Экземпляр №
Пенза 2005
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005
1 РАЗРАБОТАНА на основе государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, утвержденного 10 марта 2000 г. Регистрационный номер 23 тех/дс рабочего учебного плана, семестровых планов и примерной программы НМС УМО Автор доцент кафедры микроэлектроники, к.ф.-м.н., доцент «____» ______________ 2005 г. 2 РЕЦЕНЗЕНТ доцент кафедры микроэлектроники, к.ф-м.н., доцент
Медведев С.П. Аверин И.А.
3 СОГЛАСОВАНА ................................................................................................................................................................. . (подразделение, руководитель .................................)
4 ВНЕСЕНА (ПОДГОТОВЛЕНА к утверждению) Методической группой кафедры Руководитель.............................................................................................…………………….. (уч. степень, звание, подпись, дата, фамилия и инициалы)
5 УТВЕРЖДЕНА на заседании кафедры микроэлектроники № протокола «____» ______________ 2005 г
Зав. кафедрой.
«____» ______________ 2005 г.
Печерская Р. М
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры - разработчика программы.
2
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Рабочая программа дисциплины Специальность 210104 – Микроэлектроника и твердотельная электроника Дата введения январь 2006 г. 1 Область применения Настоящая рабочая программа (далее программа) устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, и студентов специальности 210104 – Микроэлектроника и твердотельная электроника, участвующих в процессе изучения дисциплины. 2 Нормативные ссылки Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки специалиста инженера. Учебный план ПензГУ по специальности 210104, утвержденный 27 января 2005г. Семестровый учебный план на 2005/2006 учебный год. И 151.30.03–2000 «Рабочие программы учебных дисциплин, порядок разработки и требования к содержанию». 3 Нормативная трудоемкость дисциплины Трудоемкость дисциплины в часах, исходя из 17-недельного семестра (дробью: всего в семестре /в среднем в неделю):
Общая
119 / 7
Обязательная аудиторная
68 / 4
лекции
34 / 2
лабораторные занятия
34 / 2
практические занятия семинары Самостоятельная работа студентов
Контроль текущий на занятиях теоретический зачет
51 / 3
6 семестр 6 семестр
3
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 4 Цель и задачи дисциплины 4.1 Целью дисциплины является изучение студентами физических процессов, определяющих принцип действия, свойства, характеристики и параметры различных полупроводниковых приборов в дискретном и интегральном исполнении. …………………………………………………………………………………………………………… 4.2 В результате изучения дисциплины студент должен: ⎯ иметь представление (понимать и уметь объяснить) о путях развития и проблемах полупроводниковой электроники; ⎯ знать принцип действия, свойства, основные характеристики и параметры различных п/п приборов и элементов интегральных микросхем; ⎯ уметь проводить исследования физических процессов в полупроводниковых приборах; ⎯ иметь навыки (опыт) измерения параметров и характеристик полупроводниковых приборов. 5 Место дисциплины в учебном процессе Дисциплина относится к циклу общепрофессиональных дисциплин. Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах: «Физика твердого тела», «Высшая математика», «Физика», «Теоретические основы электротехники». Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении дисциплин: «Микроэлектроника», «Квантовая и оптическая электроника», «Тонкопленочная электроника», «Микросхемотехника», «Физика м/э приборов», «Проектирование и конструирование п/п ИМС».
6 Сводные данные об основных разделах дисциплины и распределении часов по видам занятий Количество часов занятий Название раздела
аудиторных самостоялекцион- практиче- лаборатортельных ных ских ных
Уровни изучения
1. Введение
2
1
А
2. Физика контактных явлений в полупроводниках 3. Полупроводниковые диоды
8
9
Б
6
8
10
В
4. Биполярные транзисторы
6
10
13
В
5. Особенности полупроводниковых приборов в интегральном исполнении 6. Тиристоры
2
2
1
Б
2
2
5
В
4
10
10
В
4
2
2
Б
34
34
51
7. Полевые транзисторы и приборы с зарядовой связью 8. Управляемые полупроводниковые резисторы и преобразовательные полупроводниковые приборы Всего часов
4
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 7 Лекции 7.1 Разделы и их содержание Раздел 1. Предмет дисциплины и ее задачи. Основные этапы развития электроники. Задачи и принципы микроэлектроники. Полупроводниковые приборы как основные функциональные элементы микроэлектроники. Роль материалов в развитии элементной базы микроэлектроники. Классификация п/п приборов, элементов и компонентов интегральных микросхем. Параметры и характеристики приборов. Носители заряда и токи в полупроводниках. Уравнение Пуассона, уравнение непрерывности.
Раздел 2. Физические процессы на поверхности твердого тела. Поверхностные энергетические уровни. Изгиб энергетических зон вблизи поверхности. Длина экранирования Дебая. Обедненные, обогащенные и инверсные слои. Понятие о работе выхода, электронном сродстве и контактной разности потенциалов. Контакт двух материалов. Металлургическая граница. Построение энергетической диаграммы контактов. Разрыв энергетических зон на металлургической границе. Энергетические барьеры для носителей заряда. Классификация контактов: p-n-переход, n-n+- и p-p+-переходы, контакт металлполупроводник, гетеропереходы. Контакт полупроводник-полупроводник. Виды контактов. Образование и энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода (ЭДП). Равновесное состояние ЭДП. Высота потенциального барьера и контактная разность потенциалов ЭДП. Резкий и плавный ЭДП. Распределение напряженности и потенциала электрического поля в ЭДП. Соотношения для расчета толщины ЭДП. Неравновесное состояние ЭДП. ВАХ перехода. Инжекция и экстракция неосновных носителей заряда. Концентрация неосновных носителей заряда у границ ЭДП при больших и малых токах. Барьерная емкость ЭДП как проявление токов смещения. Общее и частное соотношения для барьерной емкости различных ЭДП. Использование вольт-фарадных характеристик для оценки контактной разности потенциалов и распределения примесей в переходе. Контакт металл-полупроводник. Энергетическая диаграмма контакта. Выпрямляющие и омические контакты. Переход Шоттки. Распределение напряженности и потенциала электрического поля в переходе металл-полупроводник. ВАХ перехода. Наличие туннельного тока в выпрямляющих контактах перехода металл-полупроводник. Инжектирующие и неинжектирующие контакты. Барьерная емкость контакта.
5
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Требования к омическим контактам. Параметры омических контактов. Реальная структура невыпрямляющего контакта, использование n-n+- и p-p+-переходов. Энергетическая диаграмма контакта. Принципиальные различия между p-n-переходами и p-p+-( n-n+)переходами. Гетеропереходы – особенности и физические свойства.
Раздел 3. Полупроводниковый диод как прибор, основу которого составляет выпрямляющий контакт. Уравнение переноса – основное уравнение при расчете характеристик приборов. Физические факторы, определяющие постоянные прямые и обратные токи через диод с ЭДП. Распределение неосновных носителей в базе диодов с разной толщиной базы при прямом и обратном включении. Диффузионные токи в диоде, связанные с инжекцией и экстракцией неосновных носителей заряда ЭДП. Влияние толщины базы диода на его вольтамперную характеристику. Генерация и рекомбинация носителей заряда в выпрямляющем электрическом переходе диода. Влияние этих физических процессов на вольт-амперную характеристику диода. Пробой диода. Виды пробоя. Обратимые и необратимые пробои. Тепловой пробой диода. Условия, вызывающие тепловой пробой. Соотношение, выполнение которого приводит к наличию участка на ВАХ, соответствующего отрицательному дифференциальному сопротивлению диода. Особенности теплового пробоя в реальных диодах, связанные со «шнурованием» тока или с образованием проводящего канала в переходе. Лавинный пробой диода. Коэффициенты ударной ионизации и лавинного размножения в ЭДП. Условие лавинного пробоя ЭДП. Особенности лавинного пробоя в реальных диодах. Лавинно-пролетные диоды. Туннельный пробой. Условия туннельного пробоя, связь пробивного напряжения при туннельном пробое с удельным сопротивлением примыкающих к переходу областей. Физические процессы в диодах при больших прямых токах: изменение концентрации основных носителей заряда в базе, появление электрического поля в базе и изменение электрофизических параметров в базе. Модуляция сопротивления базы диода. Разновидности п/п диодов: выпрямительные диоды, стабилитроны, стабисторы, туннельные и обращенные диоды, варикапы. Импульсные и частотные свойства диодов. Перезаряд барьерной емкости при малом уровне инжекции и эффект накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода при высоком уровне инжекции. Диффузионная емкость. Эквивалентная схема диода. Пути улучшения частотных свойств выпрямительных диодов. 6
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Диоды с резким восстановлением обратного сопротивления. Полупроводниковые приборы с использованием междолинного перехода носителей заряда. Физические процессы, приводящие к появлению отрицательного дифференциального сопротивления при междолинном переходе электронов. Оценка времени формирования домена, времени его пролета по кристаллу и рассасывания. Диоды Ганна. Физические факторы, вызывающие шумы в диодах. Тепловые, дробовые и избыточные шумы в диодах. Шумовые диоды. Надежность диодов. Основные причины отказов в диодах.
Раздел 4. Структура и основные режимы работы транзистора. Дрейфовые и бездрейфовые транзисторы. Схемы включения и принцип действия транзистора. Распределение стационарных потоков носителей заряда в структуре транзистора. Статические характеристики транзистора в схеме с общей базой и с общим эмиттером. Параметры транзисторов. Физические явления, приводящие к зависимости различных параметров транзистора и его эквивалентной схемы от тока эмиттера, напряжения на коллекторе и температуры. Физические процессы, влияющие на зависимость коэффициентов передачи от постоянной составляющей тока эмиттера. Явления в транзисторе при больших токах. Физические процессы, приводящие к пробою транзистора в различных схемах включения. Смыкание переходов. Вторичный пробой. Ограничение плотности тока через коллекторный переход, связанное с компенсацией объемного заряда в коллекторной части ЭДП коллектора потоком носителей заряда. Другие явления в транзисторе при больших токах. Физические процессы в транзисторе при его работе в качестве электронного ключа. Однопереходные транзисторы. Работа транзистора на малом переменном сигнале. Физические явления, ограничивающие диапазон рабочих частот транзистора. Зависимость коэффициента передачи от частоты. Шумы в транзисторах. Зависимость коэффициента шума от тока эмиттера, напряжения на коллекторе и частоты. Надежность транзисторов. Причины отказов.
Раздел 5. Влияние размерных эффектов на свойства полупроводниковых приборов. Физические ограничения на размеры элементов интегральных микросхем. Структура интегральных транзисторов и диодов. Методы изоляции элементов интегральных микросхем. Паразитные связи в интегральных микросхемах. Составные транзисторы. Функциональные интегрированные элементы: многоэмиттерный транзистор, транзистор Шоттки, схемы с инжекционным питанием.
7
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Раздел 6. Структура и основные разновидности тиристоров. Принцип действия и основные характеристики тиристоров. Физическая модель тиристора. Двухтранзисторный аналог тиристора. Ток тиристора в закрытом состоянии. Условие переключения. Напряжение включения тиристора. Влияние тока управления и шунтировки на вольт амперную характеристику тиристора. Вольт-амперная характеристика тиристора в открытом состоянии. Способы включения тиристоров. Эффекты dU/dt и dI/dt в тиристорах. Распространение включенного состояния по площади тиристорной структуры. Переходные процессы при включении и выключении тиристоров. Раздел 7. Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом или барьером Шоттки. Физические процессы, определяющие статические характеристики, частотные свойства и основные параметры полевых транзисторов с управляющими переходами. Идеализированная структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Физические явления в приповерхностной области полупроводника при приложении напряжения к МДПстуктуре. Энергетические диаграммы и распределение зарядов. Ёмкость приповерхностной области полупроводника (области объемного заряда). Вольт-фарадная характеристика. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) с индуцированным и встроенным каналом. Статические харктеристики, свойства и параметры. Структура и принцип действия приборов с зарядовой связью (ПЗС). Формирование потенциальных ям в секции переноса ПЗС под влиянием внешнего электрического поля. Поверхностные и объемные каналы переноса информационного заряда. Область применения ПЗС. Разновидности ПЗС. Раздел 8. Оптоэлектронные приборы. Поглощение света твердым телом. Спектральные характеристики. Яркостные характеристики. Люминесценция. Пленочные и порошковые излучатели. Светодиоды и полупроводниковые лазеры. Фоторезисторы. Фотодиоды и фотоэлементы. Фототранзисторы. Оптопары. Структура оптопар: светоизлучающие элементы и фотоприемники; принцип действия и основные свойства. Оптоэлектронные ИМС и интегральная оптика. Терморезисторы. Вольт - амперная характеристика термистора в параметрическом виде. Анализ системы уравнений для вольт - амперной характеристики термистора. Коэффициент температурной чувствительности и его связь с энергией ионизации примесей или шириной запрещенной зоны полупроводника. Позисторы.
8
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 Варисторы. Вольт - амперная характеристика варистора из карбида кремния. Анализ системы уравнений для вольт - амперной характеристики. Связь коэффициента нелинейности варистора с коэффициентом температурной чувствительности поверхностных слоев кристаллов. Физика варисторов на основе оксидов металлов. Полупроводниковые термоэлектрические приборы. Коэффициент полезного действия полупроводникового термоэлемента. Оптимальный ток через термоэлементы и максимальная разность температур между горячими и холодными спаями термоэлементов при их работе в холодильных установках. Полупроводниковые подогреватели на эффекте Пельтье. Полупроводниковые гальваномагнитные приборы. Связь коэффициента Холла и параметров преобразователей Холла с параметрами исходного полупроводника. Магниторезисторы. Магнитодиоды. Магнитотранзисторы. Тензорезисторы и тензодатчики. Элементы магнитоэлектроники. Магнитные эффекты в тонких магнитных пленках. Цилиндрические магнитные домены. Принципы построения запоминающих и логических элементов на цилиндрических магнитных доменах.
7.2 Форма проведения занятий – лекции в аудитории с применением проектора и ЭВМ. 8 Практические занятия – не предусмотрено. 9 Лабораторные занятия 9.1 Основные темы: 9.1.1. Исследование вольт - амперных характеристик полупроводниковых диодов. 9.1.2. Исследование импульсных и частотных свойств полупроводниковых диодов. 9.1.3. Исследование статических параметров и характеристик биполярного транзистора. 9.1.4. Исследование импульсных и частотных свойств биполярного транзистора. 9.1.5. Исследование физических процессов в тиристорной структуре. 9.1.6. Исследование полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом. 9.1.7. Исследование МОП транзисторов. 9.1.8. Исследование магнитодиодов (магнитотранзисторов, магниторезисторов). 9.2 Форма проведения занятий: проведение занятий в измерительной лаборатории (как автоматизированной, так и не автоматизированной); расчет параметров и характеристик, офрмление отчетов. 9
РПД МЭ 1 ОПД.Ф.08 – 2005 12 Методические материалы. 12.1. Абрамов В.Б., Медведев С.П. Исследование физических свойств p-nпереходов. Мет. ук. по проведению лаб. работ. // Пенза: Изд-во Пенз. политехн. ин-та, 1992. 12.2. Абрамов В.Б., Головяшкин А.Н., Медведев С.П. Исследование физических свойств биполярных и полевых транзисторов. Мет. ук. по проведению лаб. работ. // Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1998. 13 Учебная литература. Основная 13.1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. // М.: Высш.шк., 1987. 13.2. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем: Учеб. для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. // М.: Энергия, 1977. Дополнительная 13.3. Медведев С.П. Физика полупроводниковых и микроэлектронных приборов (биполярные приборы): Учеб. пособие. // Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1996 г.- 158 с. 14 Переутверждение программы на очередной учебный год и регистрация изменений
Учебный год
Учебная группа
Решение кафедры (№ протокола, дата, подпись зав. кафедрой)
Примечание - Тексты изменений прилагаются 10
Решение выпус кающей кафедры (№ протокола, дата, подпись зав. кафедрой)
Лектор
Изменение, №