Физические основы микроэлектроники: Рабочая программа, задание на контрольную работу

Министерство образования Российской Федерации Северо-Западный государственный заочный технический университет Кафедра технологии и дизайна радиоэлектронной техники

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Рабочая программа Задание на контрольную работу

Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированных специалистов: 654300 - проектирование и технология электронных средств 200800 - проектирование и технология радиоэлектронных средств Направление подготовки бакалавров 551100 - проектирование и технология электронных средств

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2003

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 621.382-03 (07) Физические основы микроэлектроники: Рабочая программа, задание на контрольную работу. - СПб.: СЗТУ, 2003. - 22 с. Рабочая программа содержит следующие разделы: основы квантовой механики и статистики, основы зонной теории, электронные свойства и структура твердых тел, контактные и поверхностные явления, физические основы функционирования приборных структур, электронные процессы в неоднородных структурах, перспективные направления развития микроэлектроники. Представлены варианты заданий на контрольную работу, состоящую из трех задач, и методические указания по выполнению контрольной работы. Рабочая программа дисциплины разработана в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654300 (специальность 200800- “Проектирование и технология радиоэлектронных средств”) и направлению подготовки бакалавров 551100. Рассмотрено на заседании кафедры технологии и дизайна радиоэлектронной техники 16.01.2003 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 23.01.2003 г. Рецензенты: кафедра Технологии и дизайна радиоэлектронной техники (заведующий кафедрой Воронцов В.Н., канд. техн. наук, доц.), Дубровенский С.Д., канд. хим.наук, доцент кафедры Химической технологии материалов и изделий электронной техники СПбГТИ (ТУ) Составители: А.И.Адер, канд. техн. наук, доц., О.В.Денисова, канд. хим. наук, доц. С.Д.Ханин, д-р физ.-мат. наук, проф

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003

2

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ ВВЕДЕНИЕ Высокие темпы развития микроэлектроники предъявляют особые требования к методике подготовки инженерных кадров. Для разработки современной радиоэлектронной аппаратуры с высокими технико-экономическими показателями, инженер должен обладать глубокими теоретическими знаниями, владеть методологией и практическими навыками их применения, знать и уметь использовать перспективные технологии, методы испытаний и анализа отказов радиоэлектронных средств (РЭС). В условиях очно-заочного и заочного обучения важное значение имеет самостоятельная работа студентов, что повышает роль учебной и научнотехнической литературы, требует обобщения в ней теоретических результатов и практического опыта по вопросам физики функционирования приборных структур в области технологии РЭС и микроэлектроники. “Физические основы микроэлектроники” изучаются на третьем курсе студентами очно-заочной и заочной форм обучения специальности 200800 и направления 551100 в течение пятого и шестого семестров. ЦЕЛИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Основной целью изучения дисциплины является приобретение знаний в области основных физических, физико-химических процессов и закономерностей сплошных сред, которые используются при проектировании, производстве и эксплуатации РЭС. ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ В результате изучения дисциплины студент должен: • ознакомиться с современными достижениями физических и физикохимических наук, которые составляют фундамент выполнения заданных функций элементов и компонентов микроэлектронной аппаратуры, а также РЭС в целом; 3

• изучить основные физико-химические процессы, физические эффекты и явления, которые являются основополагающими при проектировании, при разработке технологии производства и при эксплуатации РЭС; • уметь на практике использовать основные электрофизические процессы и явления при разработке, производстве и эксплуатации РЭС, а также при оптимизации, моделировании и автоматизации конструкторско-технологического проектирования на основе причинно-следственных связей процессов полного жизненного цикла микроэлектронных РЭС. СВЯЗЬ С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ Изучение данной дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при изучении курсов общей химии, физики, математики, а также дисциплин "Материаловедение и материалы электронных средств", "Электронное приборостроение". Знания, полученные при изучении данной дисциплины, лежат в основе изучения следующих дисциплин: "Физико-химический анализ отказов РЭС", "Основы радиоэлектроники и связи", а также являются базовыми для изучения всего цикла конструкторско-технологических дисциплин. 2. СТРУКТУРА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Основы квантовой механики и статистики Структура и электронные свойства твердых тел

Контактные и поверхностные явления

Электронные процессы в неоднородных структурах

4

Физико-химические основы обеспечения качества и надежности

3. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ Изучение дисциплины рассчитано на 180 часов учебных занятий, из которых 32 часа отводится на лекции, 24 часа - на выполнение лабораторных работ, 124 часа предназначены для самостоятельной работы. Промежуточный контроль знаний проводится по результатам выполнения студентами контрольной работы и сдачей зачета. Изучение дисциплины заканчивается выполнением курсовой работы и сдачей экзамена. ВВЕДЕНИЕ (4 часа) Предмет и задачи курса. Роль физических процессов и физикохимических явлений в микроэлектронике и технологии РЭС. Основные понятия и определения. Основные принципы и структурные схемы классификации физикохимических явлений и электрофизических свойств исходных материалов и структур. 3.1.

ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И СТАТИСТИКИ (20 часов)

Физические основы квантовой механики. Волновые свойства микрочастиц. Волновая функция. Волновое уравнение Шредингера и его применение к описанию движения свободной частицы. Фазовая и групповая скорости. Прохождение микрочастиц через потенциальный барьер. Туннельный эффект. Элементы статистической физики. Кристаллическая решетка. Понятие о нормальных колебаниях кристаллической решетки. Корпускулярное представление нормальных колебаний решетки. Фононы.

5

3.2.

СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ (80 часов)

Структура идеальных кристаллов. Типы химической связи в твердых телах. Элементы зонной теории твердых тел. Зонный характер энергетического спектра электронов в кристалле. Строение энергетического спектра металлов, полупроводников и диэлектриков в свете зонной теории. Примесные уровни. Дефекты реальных кристаллов. Нестехиометрия и структурные дефекты. Влияние дефектов на электронное строение и свойства твердого тела. Примесные уровни. Собственные и примесные полупроводники. Типы легирующих примесей. Собственная и примесная проводимость. Явления генерации и рекомбинации носителей заряда. Скорость рекомбинации. Излучательная и безизлучательная рекомбинация. Уравнение непрерывности для полупроводников. Поверхностные электронные состояния твердого тела. Поверхностные явления. Приповерхностный слой объемного заряда в полупроводниках. Некристаллические (аморфные и стеклообразные) материалы. Ближний и дальний порядок в атомном строении. Особенности энергетического спектра электронов в некристаллических твердых телах. Методы анализа фазового и элементного состава твердого тела. Основы анализа тонких пленок и поверхности твердого тела. Дифракционные, микроскопические и спектроскопические методы физико-химического анализа. Электронная проводимость твердого тела, обусловленная свободными носителями заряда. Подвижность носителей заряда. Температурная зависимость проводимости металлов, полупроводников и диэлектриков. Механизмы рассеяния электронов в твердых телах. Прыжковая электропроводность в примесных полупроводниках и некристаллических твердых телах.

6

Эффекты сильного поля. Разогрев электронного газа, горячие электроны. Эффект Ганна. Термоэлектронная ионизация по Френкелю. Ударная ионизация. Электростатическая ионизация. Фотоэлектрические свойства твердого тела. Неравновесные носители заряда в полупроводниках. Фотопроводимость полупроводников. Физические явления в диэлектрических материалах. Поляризация диэлектриков и сегнетоэлектриков. Основные механизмы поляризации и диэлектрических потерь. Зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры и частоты переменного поля. Ионная электропроводность в диэлектриках. Процессы старения и развития пробоя диэлектриков. Основные причины высокой электропроводности проводников. Электропроводность металлов и сплавов. Правило Матиссена. Понятие температурного коэффициента удельного сопротивления. Эффекты протекания в гетерогенных металл-диэлектрических композиционных материалах. Свойства резистивных пленок Явление сверхпроводимости. Сверхпроводники 1 и 2 рода. Эффект Мейснера. Высокотемпературная сверхпроводимость. 3.3.

КОНТАКТНЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В НЕОДНОРОДНЫХ СТРУКТУРАХ ( 60 часов) Работа выхода электронов из металлов и полупроводников. Термоэлектронная эмиссия. Контактная разность потенциалов. Условия образования барьера Шоттки. Диоды Шоттки. Электронно-дырочный переход (р-n-переход). Гомо- и гетеропереходы. Выпрямляющее действие р-n-перехода и диоды на его основе. Емкость перехода в зависимости от приложенного внешнего напряжения. Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Излучательная рекомбинация в р-n-переходе. Светодиоды и полупроводниковые лазеры. Эффект поля. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник и полевые транзисторы на его основе. Принцип действия полевого транзистора.

7

Конденсаторные структуры на основе диэлектрических и сегнетоэлектрических пленок.Эффект Джозефсона и приборы на его основе. 3.4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ РЭС (12 часов) Термодинамический и кинетический подходы к анализу процессов разрушения твердого тела и микроэлектронных структур. Основные факторы, приводящие к разрушению: механические напряжения, электрическое поле, радиационные воздействия. Электрохимическая коррозия. Кинетика механического и электрического разрушения. Влияние структурных дефектов на стабильность выходных параметров РЭС. Физико-химические методы диагностики и неразрушающего контроля ка-

чества микроэлектронных структур. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ( 4 часа) Роль различных деградационных процессов и возможности повышения надежности РЭС. Физическое моделирование отказов и прогнозирование надежности РЭС. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (32 часа) 1.Основы квантовой механики и квантовой статистики 4 часа 2. Структура идеальных кристаллов и некристаллических (аморфных и стеклообразных) материалов. Зонный характер энергетического спектра электронов в кристалли-

4 часа

ческих и некристаллических твердых телах 3. Структура и свойства реальных кристаллов. Основные типы структурных дефектов и их влияние на свойства

4 часа

твердых тел. Собственные и примесные полупроводники. 4. Электронная проводимость твердых тел. Влияние внешних факторов на электронную проводимость материалов различного типа.Эффекты сильного поля.

4 часа

5. Электрические свойства проводниковых материалов. Эффект сверхпроводимости .Физические процессы в диэлектриках и сегнетоэлектриках, свойства этих материа8

4 часа

лов. 6. Работа выхода электронов из металлов и полупроводников. Термоэлектронная эмиссия. Контактная разность потенциалов. Контакт металл-полупроводник. Условия

4 часа

формирования барьера Шоттки. 7.Физические процессы на контактах полупроводников с различным типом электропроводности и полупроводни-

4 часа

ковые приборы на их основе 8. Поверхностно-чувствительные явления в полупроводниках. Структуры металл-диэлектрик-полупроводник и

4 часа

полевые транзисторы на их основе 3.3. ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (24 часа) (студенты выполняют работы по выбору преподавателя) 1. Явления электронного переноса в диэлектрических пленках и конденсаторных структурах на их основе.

4 часа

2. Пробой и электрическое старение диэлектриков

4 часа

3.Исследование электрических свойств сегнетоэлек-

4 часа

триков 4. Электропроводность поликристаллических полупро-

4 часа

водников 5. Позисторный эффект в полупроводниковой сегнето-

2 часа

керамике 6. Фазовый переход диэлектрик-металл 7.Физические

явления

на

2 часа

контакте

металл-

4 часа

8. Физические явления на гетеропереходе полупровод-

4 часа

полупроводник ник-полупроводник 9. Поверхностно-чувствительные явления в структурах 9

металл-диэлектрик-полупроводник.

Вольт-фарадные

4 часа

10. Исследование коэффициента низкочастотного шума

4 часа

характеристики МДП-структур в полупроводниковых диодах и микросхемах

4. ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Штернов А.А. Физические основы конструирования, технологии РЭА и микроэлектроники.- М.: Радио и связь, 1981 . 2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учеб.для вузов.- 5-е изд.,испр.- СПб.: Лань, 2001.- 480 с. 3. Пассивные радиокомпоненты. Электрические конденсаторы: Учеб. пособие/ Ханин С.Д., Адер А.И., Воронцов В.Н., Денисова О.В.- 2-е изд., перераб. и доп.СПб.: СЗПИ, 2000.- 160 с. 4. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники: Учеб. для студ. вузов. -3-е изд.- СПб.:Лань, 2001. – 368 с. 5. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника.-М.: Высш.шк., 1986.- 252с. 6. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – М.: Наука, 1978. Дополнительная 7. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников.- М.:

Нау-

ка, 1990. 8. Справочник по электротехническим материалам: В 3-х т./ Под ред. Корицкого Ю.В. - М.: Энергоатомиздат, 1988. 9. Антипов Б.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы электронной техники: Задачи и вопросы: Учеб. пособие для вузов.- М.: Высш. школа, 1990. - 208 с. 10.Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоиздат, 1982. - 320 с. 10

11. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. - М.:Энергия, 1973. - 656 с. 5. Вопросы

и задания для самопроверки

1. Какой материал называют собственным полупроводником и каковы его основные свойства? 2. Какие примеси в полупроводниках называют донорными, а какие - акцепторными? 3. Каковы соотношения концентраций электронов и дырок в собственном и примесном полупроводниках? 4. Покажите роль структурных дефектов в формировании электронного спектра твердого тела. Как это отражается на свойствах твердых тел? 5. Каким образом характер энергетического спектра электронных состояний влияет на электрические свойства твердых тел? 6. Приведите примеры характерных случаев заполнения энергетических зон электронами в собственных и примесных полупроводниках 7. Прокомментируйте кривую температурной зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике. 8. Каков физический смысл параметра “подвижность носителей заряда” в полупроводнике? 9. Какие механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках вам известны? 10. Какие источники энергии могут использоваться для генерации носителей заряда в полупроводнике? 11. От каких внешних факторов зависит электропроводность полупроводников? 12. Как и почему удельное сопротивление металлов изменяется с изменением температуры? 13. Дайте определение температурного коэффициента удельного сопротивления. Является ли его значение константой для каждого конкретного металла? 14. Какие факторы влияют на удельное сопротивление металлов? 15. Какое физическое явление называют сверхпроводимостью? Что такое высокотемпературная сверхпроводимость? 16. Какие теории сверхпроводимости вам известны? 17. Какое физическое явление называют поляризацией диэлектрика? 18. Какие механизмы поляризации диэлектриков вам известны?

11

19. Что отличает механизмы упругой поляризации от механизмов поляризации релаксационной? 20.В чем заключается основное различие между диэлектриками и сегнетоэлектриками? 21. Каковы особенности кристаллохимического строения сегнетоэлектриков? 22. Каковы механизмы электропроводности твердых диэлектриков? 23. Что такое “диэлектрические потери”? Какими явлениями в диэлектрике они обусловлены? 24. Что понимают под “пробоем диэлектрика”? Какие механизмы пробоя твердых диэлектриков вам известны? 25. Какие факторы обуславливают высокую диэлектрическую проницаемость и наличие гистерезиса поляризационной кривой у сегнетоэлектриков? 26. Дайте определения следующим понятиям: работа выхода электронов, термоэлектронная эмиссия, контактная разность потенциалов. 27. Каков механизм образования приповерхностного слоя объемного заряда? 28. Приведите энергетические диаграммы для полупроводника с обедненным и обогащенным слоем объемного заряда. В каком случае образуется инверсный слой объемного заряда? 29.Чем определяется нелинейность вольт-амперной характеристики варисторов? 30. Каковы природа позисторного эффекта и отличительные особенности позисторов по сравнению с традиционными терморезисторами? 31.Каковы основные методы создания p-n - переходов в полупроводниковом кристалле? 32. Как возникает и чем характеризуется равновесное состояние р-п перехода? Приведите энергетическую диаграмму равновесного р-п-перехода. 33. Объясните с использованием энергетической диаграммы выпрямляющие свойства р-п перехода. 34. Перечислите основные факторы, влияющие на характеристики полупроводниковых приборов. 35.Какой параметр полупроводникового материала является определяющим для рабочей длины волны формируемого фоторезистора? 36.Какова природа вентильного эффекта в полупроводниковых диодах с p-n - переходом и с контактом “металл-полупроводник”? 37.Что определяет зависимость емкости полупроводникового диода от напряжения обратного смещения? 38.Какие приборы, использующие свойства полупроводниковых гетеропереходов, вам известны? 39. Что такое эффект поля? Каким образом можно управлять поверхностной проводимостью полупроводника в МДП-структуре? 12

40. Как влияют внешние воздействия (тепловые, механические, радиационные) на протекание физикохимических процессов, приводящих к деградации материалов и элементов изделий РЭС. 41. Какими механизмами обусловлены процессы старения? 42. Какие процессы в твердых телах приводят к их механическому разрушению? 43. Чем вызываются и к чему приводят электрические и электротепловые разрушения твердых тел? 44. Назовите основные причины отказов элементов и компонентов РЭС, связанных с воздействием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов.

6. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ Контрольная работа состоит из трех задач, условия которых приведены ниже. Конкретный вариант задания выбирается студентом по двум последним цифрам шифра. ЗАДАЧА 1 Для плоского конденсатора с зарядом Q, имеющего металлические обкладки площадью S, расположенные на расстоянии d друг от друга и разделенные слоем материала с диэлектрической проницаемостью ε, определить: • • • • • •

емкость; удельную емкость; разность потенциалов между обкладками; напряженность электрического поля в диэлектрике; энергию, запасенную в конденсаторе; плотность запасенной в конденсаторе энергии.

У к а за н и я: 1. Исходные данные для конкретных вариантов задачи 1 приведены в табл.1 и 2. 2. Удельную емкость конденсатора и плотность запасенной в конденсаторе энергии определять в расчете на единицу активного объема диэлектрика. 3. При решении задачи целесообразно пользоваться [3] - раздел 1, с.3-20. Последняя

Материал

Диэлектрическая 13

Таблица 1 Толщина

цифра шифра диэлектрика 1 Политетрафторэтилен 2 Окись алюминия 3 Керамика на основе титаната циркония 4 Поликарбонат 5 Пятиокись ниобия 6 Керамика на основе титаната бария 7 Ультрафарфор 8 Керамика на основе ниобата свинца 9 Слюда 0 Пятиокись тантала

проницаемость 2 10 40

диэлектрика, мкм 1000 0,2 100

3 41 9000

10 0,05 10

8,2 30000

6 3

7 27

1000 0,01 Таблица 2

Предпоследняя цифра шифра 1и2 Площадь электродов,м2 1,0⋅10-2 Материал диэлектрика Политетрафторэтилен

3и4

5и6

7и8

2,5⋅10-5

1,0⋅10-6

4,0⋅10-8

9и0 1,0⋅10-10

Заряд конденсатора, Кл 1,8⋅10-8 4,4⋅10-11

1,7⋅10-12

7,0⋅10-14

1,8⋅10-16

Окись алюминия

4,4⋅10-4

1,1⋅10-6

4,4⋅10-8

1,8⋅10-9

4,4⋅10-12

Керамика на основе титаната циркония Поликарбонат

3,5⋅10-6

8,8⋅10-9

3,5⋅10-10

1,4⋅10-11

3,5⋅10-14

2,6⋅10-6

6,6⋅10-9

2,6⋅10-10

1,1⋅10-11

2,6⋅10-14

Пятиокись ниобия

7,3⋅10-3

1,8⋅10-5

7,3⋅10-7

2,9⋅10-8

7,3⋅10-11

Керамика на основе титаната бария Ультрафарфор

8,0⋅10-3

2,0⋅10-5

8,0⋅10-7

3,2⋅10-8

8,0⋅10-11

1,2⋅10-5

3,0⋅10-8

1,2⋅10-9

4,8⋅10-11

1,2⋅10-13

Керамика на основе ниобата свинца Слюда

8,9⋅10-2

2,2⋅10-4

8,9⋅10-6

3,5⋅10-7

8,9⋅10-10

6,2⋅10-8

1,6⋅10-10

6,2⋅10-12

2,5⋅10-13

6,2⋅10-16

Пятиокись тантала

2,4⋅10-2

6,0⋅10-5

2,4⋅10-6

9,6⋅10-8

2,4⋅10-10

14

ЗАДАЧА 2 Собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике при комнатной температуре равна ni; подвижность электронов - µn; подвижность дырок - µp. Определить: • отношение полного тока, протекающего через полупроводник, к току, обусловленному электронной составляющей, а также к току, обусловленному дырочной составляющей, в собственном полупроводнике; • концентрацию электронов и дырок в примесном полупроводнике nили p-типа с удельным сопротивлением ρ; • отношение полного тока, протекающего через полупроводник, к току, обусловленному электронной составляющей, а также к току, обусловленному дырочной составляющей, в примесном полупроводнике n- или p-типа с удельным сопротивлением ρ. Указания 1. Исходные данные для конкретных вариантов задачи 3 приведены в табл 3 и 4. 2. При решении задачи целесообразно пользоваться [1] - гл.4 (разделы 4.1 и 4.2), [4] - с.91-126, [5] - гл.6, с.159-198. Таблица 3

Полупроводниковый материал µn, м2/(В.с) µp, м2/(В.с) ni, м-3

1и9 n-Si

Предпоследняя цифра шифра 2и8 3и7 4и6 5 0 p-Si n-Ge p-Ge n-GaAs p-GaAs

0,14 0,05 1,0.1016

0,39 0,19 2,5.1019

0,95 0,045 6,6.1012 Таблица 4

n-Si

Полупроводниковый материал p-Si n-Ge p-Ge n-GaAs 15

p-GaAs

Последняя цифра шифра 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

Удельное сопротивление ρ, Ом.м 5,0.10-1 1,0.10-1 4,5.10-2 6,0.10-3 9,0.10-4 3,5.10-4 2,0.10-4 6,0.10-5 8,0.10-6 3,0.10-6

1,0.100 3,0.10-1 1,5.10-1 2,0.10-2 3,0.10-3 1,0.10-3 6,0.10-4 1,0.10-4 2,0.10-5 1,0.10-6

1,0.10-1 2,0.10-2 1,5.10-2 2,0.10-3 4,0.10-4 1,0.10-4 7,0.10-5 2,0.10-5 3,0.10-6 7,0.10-7

3,0.10-1 7,0.10-2 4,0.10-2 4,0.10-3 6,0.10-4 2,0.10-4 1,0.10-4 3,0.10-5 5,0.10-6 1,0.10-6

1,0.10-1 2,0.10-2 1,0.10-2 3,0.10-3 4,0.10-5 2,0.10-5 4,0.10-6 2,0.10-6 1,0.10-6 9,0.10-7

1,0.100 5,0.10-1 2,5.10-1 2,0.10-2 6,0.10-4 3,0.10-4 8,0.10-5 4,0.10-5 2,0.10-5 4,0.10-6

ЗАДАЧА 3 В полупроводниковом кристалле с собственной концентрацией носителей заряда ni, подвижностью электронов µn и подвижностью дырок µp сформирован p-n переход. При этом удельная электропроводность p-области составила γ1, а удельная электропроводность n-области - γ2. Определить: • контактную разность потенциалов в p-n переходе при температуре Т= 300 К; • плотность обратного тока насыщения в сформированной диодной структуре, если диффузионная длина электронов равна Ln, а диффузионная длина дырок - Lp. • отношение дырочной составляющей обратного тока насыщения к электронной; • значение прямого напряжения, при котором плотность тока через p-n переход достигает значения j. У к а за н и я 1. Исходные данные для конкретных вариантов задачи 4 приведены в табл.5 и 6. 16

2. При решении задачи целесообразно пользоваться [2], с.76-138. 3. Плотность обратного тока насыщения определять из формулы для плотности тока насыщения в диоде с толстой базой. 4. Коэффициенты диффузии D для электронов и дырок следует находить из соотношения Эйнштейна: D/µ = kT/e, где µ - подвижность носителей заряда; k - постоянная Больцмана; Т - температура, К; е - заряд электрона. 5. Напряжение, при котором плотность прямого тока через p-n переход достигает заданного значения, определять с использованием уравнения вольтамперной характеристики диода в области малых токов. Таблица 5 Предпоследняя цифра шифра 1, 2 и 3

4, 5 и 6

7и8

9и0

Si

Ge

GaAs

InSb

µn, м2/(В.с)

0,14

0,39

0,95

7,8

µp, м2/(В.с)

0,05

0,19

0,045

0,075

Материал p-n перехода Параметры материала

ni, м-3

1,0.1016

2,5.1019

6,6.1012

2,0.1022

Ln, м

5,0.10-4

1,0.10-3

8,0.10-3

1,0.10-2

Lp, м

4,0.10-3

9,0.10-4

3,6.10-3

5,0.10-3

Таблица 6 Последняя цифра шифра

γ1, Ом-1 см-1

γ2, Ом-1 см-1

j, A/м2

1

1,0.100

1,0.102

1.103

2

2,0.101

1,0.103

5.103

17

3

4,8.101

2,0.103

1.104

4

1,0.102

1,0.104

3.104

5

3,0.103

6,0.105

7.103

6

5,0.104

3,0.101

4.104

7

3,0.105

7,0.102

6.104

8

2,0.102

5,0.100

3.103

9 0

2,0.103 8,0.105

4,0.106 1,0.105

1.105 9.104

7. Темы рефератов (для самостоятельной работы студентов по заданию преподавателя) 1.

Применение кремния в микроэлектронной аппаратуре

2. Поверхностные явления в полупроводниках и их влияние на свойства полупроводниковых приборов. 3. Сверхпроводящие материалы. Высокотемпературная сверхпроводимость. 4. Диэлектрические свойства оксидных пленок, используемых в элементах РЭА (на примере пленок оксидов тантала и ниобия) 5. Электрические свойства и применение полимерных пленок 6. Сегнетоэлектрические материалы, их свойства и применение. 7. Влияние химического состава материала, примесей, физических и механических воздействий на его магнитные свойства. 8. Физико-химические свойства и применение ферритов. 9. Основные физико-химические факторы, влияющие на емкостные характеристики диода Шоттки. 10.

Основные физико-химические факторы, влияющие на вольт-

амперную характеристику диода Шоттки. 18

11. Лавинно-пролетные диоды: принцип действия, особенности технологии получения, конструкции. 12. Свето- и фотодиоды. Особенности конструкции, физические принципы функционирования . 13. СВЧ-транзисторы: конструкции, высокочастотные характеристики, частота отсечки. 14. Устройство, принцип действия и выходные характеристики биполярных транзисторов. 15. Туннельные диоды: принцип действия, технология изготовления, вольт-амперная характеристика. 16. Структуры металл-диэлекрик-полупроводник и полевые транзисторы на их основе. 17. Р-п переход на аморфном кремнии и его использование в устройствах памяти, электрофотографии и трубках для передачи изображения. 18.

Полевые транзисторы на аморфном кремнии. Конструкции, харак-

теристики и применение в жидкокристаллических дисплеях, логических устройствах и датчиках изображения. 19.

Эффект междолинного перехода электронов на примере арсенида

галлия и фосфида индия (Эффект Ганна). 20.

Светодиоды на основе GaAs, GaAs1-xPx

AlxGa1-xAs. Физические

основы их функционирования. 21. Лазеры на основе полупроводниковых материалов. Гетеролазеры на соединениях типа АШВУ и АПВУ1. 22. Вентильный эффект в конденсаторных структурах с оксидным диэлектриком. Физико-химические причины униполярности электропроводности. СОДЕРЖАНИЕ 1. Цели и задачи изучения дисциплины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 19

2. Структура учебной дисциплины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3. Содержание учебной дисциплины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4. Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 5. Вопросы и задания для самопроверки . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 6. Задание на контрольную работу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 7. Темы рефератов………………………………………………….20

Редактор И.Н. Садчикова Сводный темплан 2003 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 __________________________________________________________________ Подписано в печать . Б. кн.-журн.

.2003.

Формат 60 х 84 1/16.

П.л. 1,375

Б.л. 0,667

Тираж 200

Заказ

РТП РИО СЗТУ .

__________________________________________________________________ Северо-Западный государственный заочный технический университет. РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул.Миллионная, д.5

20