Микроэлектроника и наноэлектроника
1. Равновесная статистика электронов и дырок в полупроводниках
2. Кинетические явления в полупроводниках
3. Механизмы поглощения света в полупроводниках
4. Физика полупроводниковых приборов
5. Активные и пассивные элементы интегральных микросхем
6. Схемотехнические структуры интегральной микроэлектроники
Равновесная статистика электронов и дырок в полупроводниках
Основные особенности свойств системы носителей заряда в полупроводниках.
Собственные и примесные полупроводники.
Электронные состояния дефектов в полупроводниках.
Мелкие примесные центры водородоподобного типа, глубокие центры.
Донорные и акцепторные примеси.
Функции распределения электронов и дырок в полупроводниках и их особенности.
Случаи сильного и слабого вырождения.
Различные критерии вырождения и их взаимосвязь.
Функции заполнения примесных уровней.
Концентрация электронов и дырок в полупроводнике.
Интегралы Ферми.
Выражения для концентрации носителей заряда в предельных случаях классической статистики и сильного вырождения.
Эффективная плотность состояний валентной зоны и зоны проводимости.
Статистика носителей заряда в собственном и примесном полупроводниках.
Температурная зависимость химического потенциала и концентрации.
Определение характеристик зонного спектра и параметров системы носителей заряда по экспериментальным данным о концентрации.
Статистика носителей заряда в компенсированном полупроводнике.
Вырожденность сильнолегированного полупроводника.
Кинетические явления в полупроводниках
Феноменологический подход к описанию кинетических явлений.
Энтропия, температура и химический потенциал.
Обобщенные силы и обобщенные потоки.
Уравнения переноса в изотропной среде в отсутствие магнитного поля и их анализ.
Физический смысл коэффициентов в этих уравнениях.
Классификация кинетических коэффициентов.
Коэффициенты удельного сопротивления, изотермической диффузии, Пельтье, Зеебека и теплопроводности.
Уравнения переноса в слабом магнитном поле.
Гальвано- и термомагнитные эффекты.
Эффекты и коэффициенты магнетосопротивления и магнетопроводимости, Холла, Нернста- Эттингсгаузена и Риги-Ледюка.
Микроскопическая теория электронных явлений переноса.
Время свободного пробега электрона, интегралы плотности тока и плотности потока тепла.
Неравновесная функция распределения, дрейфовый и диффузионный потоки.
Кинетическое уравнение Больцмана и его решение в приближении времени релаксации.
Обобщенные кинетические коэффициенты в микроскопической теории.
Основные механизмы рассеяния носителей заряда.
Параметр рассеяния и его значение для различных механизмов рассеяния.
Удельная электропроводимость и подвижность, их температурная и концентрационная зависимость.
Эффекты Пельтье, Зеебека и электронной теплопроводности.
Описание движения носителей заряда в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Решение уравнения Больцмана при наличии слабого магнитного поля.
Критерий силы магнитного поля.
Эффекты и коэффициенты Холла, магнетосопротивления, магнетопроводимости и Нернста-Эттингсгаузена.
Определение параметров системы носителей заряда в полупроводниках на основе экспериментальных данных о значениях кинетических коэффициентов.
Механизмы поглощения света в полупроводниках
1.Прямые и непрямые межзонные переходы. Теория и экспериментальные данные. Зависимость ширины запрещенной зоны от температуры. Экситоны в полупроводниках. Энергетический спектр экситонов большого радиуса. Экситонное поглощение света при прямых и непрямых переходах в связанные и несвязанные состояния экситона. Теория и эксперимент. Уширение линий экситонного поглощения и ослабление e-h взаимодействия. Экситонное поглощение света в твердых растворах. Физика явления и экспериментальные данные.
2.Двухфотонное поглощение света (теория, эксперимент).
3.Примесное поглощение света. Поглощение излучения нейтральными мелкими водородоподобными донорами (акцепторами). Поглощение света при фотодеионизации мелких доноров и акцепторов. Теория и эксперимент. Фотоионизация неводородоподобных примесных центров. Модель Луковского. Поглощение света глубокими примесями.
4.Поглощение света свободными электронами. Классическая и квантовая теория поглощения света с участием фононов разного типа и примесей. Экспериментальные данные. Поглощение света свободными равновесными дырками при межподзонных прямых переходах. Теория и экспериментальные результаты.
5.Поглощение света колебаниями решетки. Длинноволновая ИК-дисперсия. Соотношение Лиддена-Сакса-Теллера. Эффективные ионные заряды. Отражение и поглощение света в полосе остаточных лучей. Теория и эксперимент. Понятие о поляритонах.
6.Многофононное поглощение света. Механизмы поглощения; температурная зависимость. Экспериментальные данные для гомеополярных и полярных полупроводников.
7.Край фундаментального поглощения в сильном электрическом поле. Теория эффекта Франца-Келдыша для идеального края. Электропоглощение на фоне “хвостов” фундаментальной полосы. Влияние экситонного эффекта на электропоглощение. Результаты теоретических исследований, сопоставление их с экспериментом.
8.Оптическое поглощение в магнитном поле. Энергетический спектр электрона и плотность состояний в однородном квантующем магнитном поле. Оптические переходы между подзонами Ландау. Циклотронный резонанс: классическая теория и эксперимент. Межзонные оптические переходы в магнитном поле: квантовая теория для простых параболических зон. Особенности магнитопоглощения в полупроводнике с вырожденными зонами. Экспериментальные данные (на примере германия).
9.Экситонные эффекты в магнитопоглощении. Случай слабого магнитного поля (экситон Ванье-Мотта в магнитном поле): зеемановское расщепление и диамагнитный сдвиг основного состояния. Сильные магнитные поля: понятие о диамагнитном экситоне, его спектр. Возгорание экситонного поглощения в магнитном поле.
10.Примесное поглощение в магнитном поле. Экспериментальные данные для переходов типа мелкий акцептор-зона проводимости, их интерпретация.
11.Влияние сильного легирования на поглощение света вблизи края фундаментальной полосы. Эффект Бурштейна-Мосса. Роль сложной структуры валентной зоны и непрямых переходов с участием примесей.
12.Энергетический спектр электронов и плотность состояний в сильнолегированных полупроводниках. Расчет хвостов плотности состояний методом оптимальной флуктуации. Их роль в межзонном поглощении света при наличии вырождения и его отсутствии. Расчет спектра поглощения в сильнолегированном полупроводнике методом оптимальной флуктуации.
Физика полупроводниковых приборов
1. Классификация полупроводников и структур на их основе. Неоднородные полупроводники и гомоструктуры. Варизонные полупроводники. Гетероструктуры. Расчет потенциала в р-n гомо- и гетеропереходе. Энергетическая диаграмма контакта металл-полупроводник.
2. Слой Шотки, диффузионный потенциал. Барьерная емкость обедненного слоя. Время диэлектрической релаксации, радиус экранирования. Квазинейтральность и э.д.с. Дембера. Биполярная диффузия и дрейф. Встроенное поле неоднородного полупроводника. Время релаксации проводимости, длина свободного пробега. Термализация электронов, квазиуровни Ферми. Время жизни носителей. Длина диффузионного смещения, инжекция и экстракция носителей. Длина дрейфа и длина затягивания. Коэффициент инжекции, омический контакт. Эксклюзия и аккумуляция носителей вблизи низкоомного контакта.
3. Соотношения Больцмана и Эйнштейна, уравнение плотности тока. Статистическая оценка силы тока. Уравнение непрерывности для электронов и для дырок, тепловая генерация и линейная рекомбинация. Ток смещения, квазистационарный ток. Упрощенная система уравнений теории.
4. Составляющие тока в р-n переходе. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеального диода на р-n переходе (уравнение Шокли). Квазиуровни Ферми в тонком переходе. Тонкий переход при высоком уровне инжекции. ВАХ толстого перехода (р-i-п структуры). Пробой перехода. Емкость и переходная характеристика р-п перехода. Ток надбарьерной эмиссии и емкость идеального гетероперехода (теория Андерсона). Влияние неидеальности гетороперехода на его характеристики.
5. Распределение носителей заряда и токов в транзисторной структуре. Параметры транзистора на низкой частоте. Схемы включения и максимальное усиление. Режимы работы транзистора, формулы Эберса- Молла. Способы повышения рабочей частоты транзистора, транзистор Эрли, дрейфовый транзистор. Лавинный триод, транзистор с коллекторной ловушкой. Тиристор.
6. Энергетический спектр электронов на поверхности. Потенциал и заряд поверхности. Проводимость приповерхностного слоя. Управление зарядом поверхностных состояний, эффект поля. Вольт-фарадная характеристика структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Приборы с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-матрица телевизионного типа. Семейство характеристик МДП-транзисторов.
7. Туннельный диод. Длинный диод. Двухбазовый диод. Лавинно-пролетный диод. Варикап (параметрический диод).
8. Основное уравнение фотодиода. Инерционность фотодиода. Фотоэлемент. Светодиод. Полупроводниковый лазерный инжекционный диод.
9. Диод Ганна. Механизм образования домена в диоде Ганна, форма домена. Условие возникновения домена. Основы микроскопической теории эффекта Ридли-Уоткинса-Хилсума-Ганна. Феноменологическая теория эффекта. Гистерезис в образовании и исчезновении домена.
10.Структура интегрального биполярного транзистора. Варианты включения биполярных транзисторов. Конструктивно-технологические особенности и варианты интегральных биполярных транзисторов. Интегральные диоды. Стабилитроны. Диоды Шотки. Сочетание транзисторов с диодами Шотки. Транзисторы микросхем с эмиттерами на гетеропереходах. Принципы работы и классификация МДП-транзисторов. Вспомогательные элементы МДП-микросхем. Основные характеристики МДП-транзисторов и их связь с конструктивно-технологическими параметрами. КМДП-транзисторы. Интегральные резисторы: диффузионные резисторы, пинч-резисторы. Тонкопленочные резисторы. Интегральные конденсаторы: диффузионные конденсаторы, МДП-конденсаторы.
Активные и пассивные элементы интегральных микросхем
Структура интегрального биполярного транзистора. Варианты включения биполярных транзисторов. Конструктивно-технологические особенности и варианты интегральных биполярных транзисторов. Интегральные диоды. Стабилитроны. Диоды Шотки. Сочетание транзисторов с диодами Шотки. Транзисторы микросхем с эмиттерами на гетеропереходах. Принципы работы и классификация МДП-транзисторов. Вспомогательные элементы МДП-микросхем. Основные характеристики МДП-транзисторов и их связь с конструктивно-технологическими параметрами. КМДП-транзисторы. Интегральные резисторы: диффузионные резисторы, пинч-резисторы. Тонкопленочные резисторы. Интегральные конденсаторы: диффузионные конденсаторы, МДП-конденсаторы.
Схемотехнические структуры интегральной микроэлектроники
Основы цифровой схемотехники. Интегральные транзисторные ключи и ключевые схемы. Биполярный ключ. Ключ с барьером Шоттки. Переключатель тока. МДП-транзисторные ключи. Бистабильные ячейки и триггеры. Триггер Шмитта. Основы аналоговой схемотехники. Составные транзисторы. Режимы простейшего усилителя. Усилители на МДП- транзисторах. Дифференциальные усилители. Эмиттерные повторители. Выходные каскады. Стабилизаторы напряжения. Стабилизаторы тока.
Основная литература
1. Владимирская Е.В., Гасумянц В.Э., Сидоров В.Г. Физика твердого тела. Равновесная статистика носителей заряда в полупроводниках. Учебное пособие. СПб., Изд-во СПбГТУ, 2000 г.. 64 с.
2. Равич Ю.И. Физика твердого тела. Свободный электронный газ Ферми. Уч. пособие. СПб. Изд-во СПбГТУ, 1998, 36 с.
3. Ильин В.И., Мусихин С.Ф., Шик А.Я. Варизонные полупроводники и гетероструктуры. СПб.: Изд-во Наука, 2000, 100 с.
4. Воробьев Л.Е., Данилов С.Н., Ивченко Е.Л., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Горячие электроны в полупроводниках и наноструктурах. Уч. пособие. Под ред. Л.Е.Воробьева. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 154с.
5. Воробьѐв Л.Е., Данилов С.Н., Ивченко Е.Л., Левинштейн М.Е., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А. Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах. Под ред. Л.Е.Воробьева. СПб.: Изд-во Наука, 2000, 160 с.
6. В.И.Ильин, С.Ф.Мусихин Основы теории полупроводниковых p-n структур и контактов металл-полупроводник. Уч. пос. - СПб.: СПбГТУ, 1994, 92 с.
7. Шретер Ю.Г., Ребане Ю.Т., Зыков В.А., Сидоров В.Г. Широкозонные полупроводники. СПб.: Изд-во Наука, 2001, 188 с.
8. Воробьѐв Л.Е., Данилов С.Н., Зегря Г.Г., Фирсов Д.А., Шалыгин В.А., Яссиевич И.Н. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и размерно- квантованных структурах. СПб.: Изд-во Наука, 2001, 188 с.
Дополнительная литература
1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – М.: Физматгиз, 1978, 492 с.
2. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников.- М., Наука, 1977, 672 с.
3. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников.- М.: Наука, 1977, 559 с.
4. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках.- М.: Физматгиз, 1963, 496 с.
5. Пикус Г.Е. Основы теории полупроводниковых приборов.- М.: Наука, 1965, 448 с.
6. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Радио и связь, 1990, 264 с.
7. Ильин В.И., Мусихин С.Ф. Электронные процессы и контактные явления в полупроводниках. - СПб.: СПбГТУ, 1992, 48 с.
8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Мир, 1984, кн.1 - 456 с., кн.2 - 456 с.
9. Воробьев Л.Е. Механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках. Учебное пособие - Л.: ЛПИ, 1988. - 99 с.
Список учебных предметов, курсов, дисциплин (модулей), практик, предусмотренной данной программой: