Физические основы микро и наноэлектроники

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
___________________
Руководитель ООП
по специальности 210601
декан ЭФ проф. В.А. Шпенст
_______________________
Зав.кафедрой ЭС
проф. В.А. Шпенст
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРО И
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ»
Специальность:
210601–радиоэлектронные
системы и комплексы
Специализация: Радиолокационные системы и комплексы
Квалификация выпускника: специалист
Форма обучения: очная
Составитель: доцент каф. ЭС О.В.Денисова
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
1. Цели и задачи дисциплины
Целью дисциплины является формирование знаний о физических принципах
работы приборов микро- и наноэлектроники изучение основных физических, физикохимических процессов и закономерностей сплошных сред, которые используются при
проектировании, производстве и эксплуатации электронных средств.Формирование
навыков экспериментальных исследований материалов и приборных структур
электронной, микроэлектронной техники, наноэлектроники.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к базовой части математического и естественно-научного
цикла С.3 основной образовательной программы подготовки специалистов 210601
«Радиоэлектронные системы и комплексы».
Для освоения этой учебной дисциплины требуется предварительная подготовка
в объёме полной средней школы, освоение дисциплин: «Физика», «Математика»,
«Химия».
Дисциплина является предшествующей для освоения отдельных разделов
учебных дисциплин «Электроника», «Основы теории цепей», «Микроэлектроника»,
«Цифровые
устройства
и
микропроцессоры»,
«Интегральные
устройства
радиоэлектроники», а также для выполнения выпускной квалификационной работы.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
компетенций:
общекультурных компетенций(ОК):
способностью к восприятию, анализу, обобщению информации, постановке
цели и выбору путей её достижения (ОК-1);
способностью логически верно, аргументировано и ясно строить устную и
письменную речь (ОК-2);
профессиональных, в том числе
общепрофессиональных:
способностью выявить естественно-научную сущность проблем, возникающих в
ходе профессиональной деятельности, привлечь для их решения соответствующий
физико-математический аппарат (ПК-2);
готовностью учитывать современные тенденции развития электроники,
измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей
профессиональной деятельности (ПК-3);
способностью владеть методами решения задач анализа и расчета
характеристик радиотехнических цепей (ПК-4);
способностью владеть основными приемами обработки и представления
экспериментальных данных (ПК-5);
способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать
научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать
достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);
в научно-исследовательской деятельности:
способностью изучать и использовать специальную литературу и другую
научно-техническую информацию, отражающую достижения отечественной и
зарубежной науки и техники в области радиотехники (ПК-15);
2
способностью решать задачи оптимизации существующих и новых технических
решений (ПК-16);
способностью к реализации программ экспериментальных исследований,
включая выбор технических средств и обработку результатов (ПК-17);
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
физические основы квантовой механики, явления в полупроводниках, контактные и
поверхностные явления, физические принципы функционирования приборных
структур микро- и наноэлектроники.
Уметь:
применять полученные знания при решении задач проектирования и технологии
радиоэлектронных средств:
- выбирать оптимальные электронные компоненты при проектировании систем;
-определять необходимые средства обеспечения надежности электронных
систем с учетом физических особенностей входящих в систему электронных
компонентов;
-учитывать физическую структуру электронных компонентов при разработке
технологии производства радиоэлектронных средств;
-проводить анализ производства радиоэлектронных средств с учетом
физических явлений, протекающих в диодах, транзисторах и интегральных схемах.
Владеть:
- методами расчета основных характеристик электронных компонентов в составе
радиоэлектронных систем;
- методами оценки паразитных явлений, возникающих при интеграции
электронных компонентов в сложное изделие микроэлектроники;
- основами прогнозирования развития технического уровня интегральных схем с
учетом физических явлений в электронных компонентах изделий микроэлектроники и
наноэлектроники.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость учебной дисциплины составляет 5 зачётных единиц.
Всего
180
Семестры
3
54
Аудиторные занятия: в том числе
Лекции
Практические занятия (ПЗ), в том числе в
интерактивной форме:
Лабораторные работы
Самостоятельная работа: в том числе
Контрольные работы
Курсовой проект
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к лекциям, практическим,
лабораторным работам
Работа с литературой
Вид промежуточной аттестации (зачёт,
экзамен)
Общая трудоёмкость
час.
81
33
15
36
18
-
45
15
15
33
99
18
18
15
81
Вид учебной работы
Всего часов
4
126
30
180
8
7
10
зачет
8
36
экзамен
126
54
3
зач. ед.
5
1,5
3,5
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
Наименование раздела
п/п
дисциплины
1
2
1 ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ
МЕХАНИКИ И
СТАТИСТИКИ
2
СТРУКТУРА И
ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Содержание раздела
3
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.
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.
Концентрация
свободных
носителей
в
полупроводниках.
Вырожденные
полупроводники.
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
безызлучательная 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.
Электронная проводимость твердого тела,
4
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
3
КОНТАКТНЫЕ И
ПОВЕРХНОСТНЫЕ
ЯВЛЕНИЯ
4
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
РАБОТЫ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯ
ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
5
Содержание раздела
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.
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.
Работа выхода электронов из металлов и
полупроводников. Термоэлектронная эмиссия.
Контактная разность потенциалов. Условия
образования барьера Шоттки.
Контакты
металл-полупроводник.
Выпрямляющие
и
омические контакты в системе метллполупроводник. Диоды Шоттки. Электроннодырочный переход (р-n-переход). Гомо- и
гетеропереходы. Выпрямляющее действие р-nперехода 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-диэлектрикполупроводник и полевые транзисторы на его
основе.
Принцип
действия
полевого
транзистора.
Физические
процессы
на
поверхности полупроводников. Электрические
заряды и энергетические состояния на
поверхности
полупроводника,
явление
инверсии проводимости, влияние состояния
поверхности на электрические характеристики
Основные виды полупроводниковых диодов.
Биполярные транзисторы.
Полевые транзисторы.
Физическое масштабирование полупроводниковых структур. Физические и параметрические ограничения при масштабировании
элементов интегральных схем. Объекты наноэлектроники. Пространственные масштабы
5
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
Содержание раздела
наноэлектроники. Общая структура наноэлектронных приборов.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№ Наименование
п/п обеспечиваемой
(последующей) дисциплины
1.
2.
3.
Номера
разделов
данной
дисциплины,
необходимых для изучения обеспечиваемой
(последующей) дисциплины
1
2
3
4
5
6
Электроника
+
+
+
+
+
Микроэлектроника
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Интегральные
устройства
радиоэлектроники
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
Наименование
раздела
дисциплины
Основы квантовой механики и
статистики
Структура и электронные свойства
твердых тел
Контактные и поверхностные
явления
Физические
основы
работы
полупроводниковых приборов
Микроминиатюризация изделий
микроэлектроники.
Наноэлектроника.
Лекц.
Практ. Лабор.
зан.
работы
СРС*
Всего
час.
4
-
-
8
12
6
3
8
10
27
8
4
10
20
42
10
4
10
41
65
5
4
5
20
34
Примечание: СРС – самостоятельная работа студентов
6. Лабораторный практикум
№
п/п
1.
2.
3.
№ раздела
дисциплины
Раздел 2.Структура
и электронные
свойства твердых
тел
Раздел 3.
Контактные и
поверхностные
явления
Раздел 4.
Физические основы
работы
полупроводниковых
приборов
Наименование лабораторных работ
1.Явления электронного переноса в диэлектрических
пленках и конденсаторных структурах на их основе.
2.Пробой и электрическое старение диэлектриков
3.Электропроводность
поликристаллических
полупроводников.
4.Позисторный
эффект
в
полупроводниковойсегнетокерамике.
5.Фазовый переход диэлектрик-металл.
6.Физические явления на контакте металл-полупроводник.
7.Физические явления на гетеропереходе полупроводникполупроводник
6
7. Практические занятия
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1.
3
2.
4
Электрические
свойства
полупроводниковых
материалов.
Расчет основных характеристик приборных структур
3.
5
Методы и технологии формирования нанообъектов
Тематика практических занятий (семинаров)
Трудоемкость
(час.)
4
6
5
8. Примерная тематика курсовых проектов.
Учебным планом предусмотрено выполнение курсовой работы на тему «Расчет
внутренней структуры полевого транзистора с изолированным затвором».
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
9.1. Основная литература:
1. Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники: учеб.пособие для вузов/ И.П.
Степаненко. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.
2. Гуртов, В.А. Твердотельная электроника: учеб.пособие/ В.А. Гуртов. – М.:
Техносфера, 2007. – 408 с.
3. Пасынков, В.В. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов /В.В. Пасынков,
Л.К. Чиркин. – СПб.: Лань, 2003,2006. – 480 с.
4. Сорокин, B.C. Материалы и элементы электронной техники: учебник для вузов: в 2т./
B.C. Сорокин, Б.Л.Антипов, Н.П. Лазарева.-М.: Академия, 2006.-376 с.
5. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: учебник для вузов / В.В.
Пасынков, В.С.Сорокин. - Изд. 5-е, стер. - СПб.: Лань, 2003.-367с.
6. Парфенова Е.Л., Физические основы микро- и наноэлектроники/ Е.Л.Парфенова.,
Л.А. Теретьева, Хусаинов М.Г. – М.: Феникс, 2012.- 240 с.
9.2. Дополнительная литература:
1.Зебрев Г.И., Физические основы кремниевой нанотехнологии: учеб. Пособие/ М.:
МИФИ, 2008.- 124 с.
2. Шалимова К.В. Физика полупроводников.. 2010: Лань, СПб., 384 c.
3. Пул Ч., Нанотехнологии/ Ч. Пул, Ф.Оуэнс.- изд.4-е испр. И доп..- М.:Техносфера,
2009.- 336 с.
4. http://www.technosphera.ru
9.3. Доступ к полнотекстовым базам данных из сети Интранет СПГГУ:
- БД JSTOR полнотекстовая база англоязычных научных журналов www.jstor.org
- Научная электронная библиотека www.eLibrary.ru (доступ к полным текстам ряда
научных журналов с 2007 по 2011 г. )
9.4. Электронные ресурсы других библиотек:
1.
Национальные отечественныеи зарубежные библиотеки
Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru
7
2.
Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru
3.
Всероссийская государственная библиотека иностранной литературы
им. М.И.Рудоминоhttp://www.libfl.ru
4.
Библиотека Академии Наук http://www.rasl.ru
5.
Библиотека РАН по естественным наукам http://www.benran.ru
6.
Государственная публичная научно-техническая библиотека http://www.gpntb.ru
7.
Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского
отделения РАН http://www.spsl.nsc.ru/
8.
Центральная научная библиотека Дальневосточного отделения РАН
http://lib.febras.ru
9. Центральная научная библиотека Уральского отделения РАН http://www.uran.ru
10. Библиотека Конгресса http://www.loc.gov/index.html
11. Британская национальная библиотека http://www.bl.uk
12. Французская национальная библиотека http://www.bnf.fr
13. Немецкая национальная библиотека http://www.ddb.de
14. Библиотечная сеть учреждений науки и образования
RUSLANethttp://www.ruslan.ru:8001/rus/rcls/resources
15. Центральная городская универсальная библиотека им.
В.Маяковскогоhttp://www.pl.spb.ru
16. Научная библиотека им. М.Горького Санкт-Петербургского Государственного
университета (СПбГУ) http://www.lib.pu.ru
Фундаментальная
библиотека
Санкт-Петербургского
Государственного
Политехнического университета (СПбГПУ) http://www.unilib.neva.ru/rus/lib/
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной
аудитории, снабженной мультимедийными средствами для презентаций лекций,
видеофайлов практических занятий и демонстрационных лабораторных работ.
Проведение лабораторных занятий требует наличия специализированных
учебных стендов по заявленной номенклатуре лабораторных работ, оснащённых
современной контрольно-измерительной аппаратурой.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом
рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки специалиста 210601«Радиотехнические системы и комплексы».
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Изучение дисциплины производится в тематической последовательности.
Студенты очной формы обучения работают в соответствии с временным режимом,
установленным учебным рабочим планом для данных форм обучения. Информация о
временном графике работ сообщается преподавателем на установочной лекции.
Преподаватель дает указания также по
организации самостоятельной работы
студентов, срокам сдачи контрольных работ, выполнения лабораторных работ и
проведения тестирования.
Дисциплина «Физические основы микро- и наноэлектроники», как указывалось
выше, является базовой дисциплиной. В связи с этим, приступая к ее изучению,
необходимо восстановить в памяти основные сведения из курса общей физики,
математики и указанных выше специальных дисциплин.
Методика и последовательность изучения дисциплины соответствуют перечню
содержания разделов дисциплины. Материал каждой темы насыщен математическими
соотношениями, физическая интерпретация которых зачастую достаточно сложна,
поэтому изучение материала требует серьезной, вдумчивой работы.
8
Изучать дисциплину рекомендуется по темам, предварительно ознакомившись с
содержанием каждой из них по программе учебной дисциплины. При первом чтении
следует стремиться к получению общего представления об изучаемых вопросах, а
также отметить трудные и неясные моменты. При повторном изучении темы
необходимо освоить все теоретические положения, математические зависимости и
выводы. Рекомендуется вникать в сущность того или иного вопроса, но не пытаться
запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне сущности,
а не на уровне отдельных явлений, способствует наиболее глубокому и прочному
усвоению материала. Для более эффективного запоминания и усвоения изучаемого
материала, полезно иметь рабочую тетрадь (можно использовать лекционный
конспект) и заносить в нее формулировки законов и основных понятий, новые
незнакомые термины и названия, формулы, уравнения, математические зависимости и
их выводы. Целесообразно систематизировать изучаемый материал, проводить
обобщения разнообразных фактов, сводить их в таблицы. Подобная методика облегчает
запоминание и уменьшает объем конспектируемого материала. До тех пор пока тот или
иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий
конспект курса будет полезен при повторении материала в период подготовки к
экзамену.
Разработал:
доцент кафедры электронных систем
О.В.Денисова
9