РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Томск – 2005 ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ»
Томск – 2005
I. Oрганизационно-методический раздел
1. Цель курса
Цель курса - дать достаточно полное представление о физических основах (принципах)
работы современных полупроводниковых приборов, действие которых основано на
свойствах контакта металл-полупроводник, p-n перехода, гетероперехода, структуры металлдиэлектрик полупроводник, более сложных (транзисторных) структур, включающих
названные, однородных структур с междолинным переносом и некоторых других.
2. Задачи учебного курса
Наиболее важные задачи учебного курса:
- показать связь основных, выполняемых полупроводниковыми приборами функций
(преобразование, перестройка, усиление, переключение, генерация сигналов и др.) с фундаментальными (вольт-амперной, вольт-фарадной и др.) физическими характеристиками полупроводниковых структур;
- показать фундаментальную роль энергетического спектра полупроводниковой структуры в реалиации её приборных характеристик;
- особое внимание уделить связи параметров конкретных приборов (детекторных,
параметрических, настроечных, туннельных, лавинно-пролётных и др. диодов, биполярных,
гетеробиполярных и полевых транзисторов) со свойствами материала, конструкцией и
технологией прибора;
- показать пути улучшения параметров (особенно повышения рабочих частот, эффективности приборов, уровня выходной мощности, диапазона рабочих температур и т.д.) на
основе использования новых материалов и новых технологий.
3. Требования к уровню освоения курса
Освоение курса физики полупроводниковых приборов предполагает формирование у
студентов:
- чёткого представления о принципах действия важнейших полупроводниковых приборов
(прежде всего диодов и транзисторов) и их параметрах; о связи параметров приборов со
свойствами материала, физическими процессами в полупроводниковых структурах, их конструкцией и технологией изготовления; о путях улучшения параметров за счёт использования новых материалов (новых соединений, твёрдых растворов, гетерострур и сверхрешёток
на их основе);
- навыков измерения и анализа наиболее важных харакеристик диодов и транзисторов, (с
учётом практики лабораторных работ по курсу), простейших расчётов параметров приборов,
подбора материала и конструкции для достижения необходимых параметров.
II. Содержание курса
Развитие полупроводниковой электроники (историческая справка). Современная
полупроводниковая электроника, ее роль в научно-техническом прогрессе. Представление о
классификации приборов и предмете курса.
№
Тема
1. Контакт металл-полу-
Содержание
Энергетическая диаграмма КМП. Термоэлектронная эмиссия
проводник (КМП) и
приборы на его основе
2.
Электронно-дырочные
переходы (р-п переходы)
3.
Приборы с неустойчивостью на переменном
сигнале (генераторные
диоды)
4.
Гетеропереходы
5.
Биполярные транзисто-
с поверхности
полупроводника (П) и металла (М).
Контактная разность потенциалов. Контакты М с
полупроводниками п- и р-типа. Свойства обедненного слоя в
КМП. Прохождение тока через КМП: эффект Шоттки,
диодная
и
диффузионная
теории
выпрямления,
туннелирование в КМП с барьером Шоттки (БШ).
Особенности реальных КМП с БШ. Модель Бардина:
промежуточный слой и поверхностные электронные
состояния. Высота барьера в реальных КМП. Вольт-амперная
характеристика
реальных
КМП.
Омические
(невыпрямлянщие) КМП;
теоретические и реальные
зависимости сопротивления контакта от параметров П.
Принципы создания реальных омических контактов.
КМП с БШ на малом переменном сигнале. Эквивалентная
схема КМП с БШ. Общие требования к материалу и
конструкции полупроводниковых приборов (ПП) на основе
КМП. Паразитные параметры ПП. Диоды с барьером Мотта.
Полупроводниковые сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды на
основе КМП с БШ. Детекторные и варакторные (настроечные,
параметрические) диоды. (16 ч.)
Характеристики потенциального барьера. Вольт-амперные
характеристики идеального p-n перехода. Особенности реальных p-n переходов. Пробой в p-n переходе. P-n переход на малом переменном сигнале. Переходные процессы в p-n переходе. Туннельный диод (принцип действия, вольт-амперная характеристика, анализ эквивалентной схемы.) Обращённый
диод.
P-i-n-структуры: ВАХ, эквивалентная схема. Переключательные и ограничительные диоды на основе p-i-n-структур.
(12 ч.)
Лавинно-пролётные диоды (ЛПД). Принцип действия ЛПД.
Особенности характеристик ЛПД в условиях ограничения работы максимально допустимым разогревом и максимально
допустимым полем. Влияние материала (GaAs, Si) и конструкции прибора на работу ЛПД. Различные типы ЛПД.
Диоды Ганна (приборы на эффекте междолинного переноса).
Отрицательная дифферен-циальная подвижность (ОДП).
Неустойчивость тока в структурах с ОДП. Режим обогащенного слоя; режим пролета домена. Основные характеристики
ДГ: рабочая частота, генерируемая мощность, КПД; реальные
и фундаментальные ограничения. (6 ч.)
Развитие представлений о гетеропереходах. Анизотипные и
изотипные гетеропереходы: энергетические диаграммы и механизмы токопохождения. Инжекционные свойства анизотипных гетеропереходов. Гетероструктурные системы на основе полупроводников А3В5: принципы подбора практических гетероструктурных систем, гетероструктуры на основе
тройных и четверных твёрдых растворов. Двумерный электронный газ в гетеропереходах и возможные приложения.
Сверхрешётки, резонансное туннелирование в сверхрешётках,
резонансно-туннельные диоды. (4 ч.)
Структура (геометрия) БТ. Планарный транзистор. Принцип
ры
6.
Полевые транзисторы с
p-n переходом и бар.
Шоттки в качестве затвора
7.
Полевые транзисторы с
изолированным затвором (МДП-ПТ)
действия БТ. Токи в тран-зисторе. Коэффициент усиления
тока БТ, реальные факторы, влияющие на коэффициент
усиления. БТ с эмиттерным гетеропереходом. Статические
(входные и выходные) характеристики БТ в схемах с общей
базой и общим эмитте-ром. Системы параметров транзистора
(y-z-h - системы). БТ на переменном сигнале. Эквивалентная
схема транзистора. Частотные свойства БТ, способы (пути)
повышения предельной частоты БТ; дрейфовый транзистор.
Конструктивные пути создания СВЧ БТ и мощных БТ. (12 ч)
Принцип действия и конструкция ПТ. Основные особенности
и достоинства. в сравнении с БТ. Статические характеристики
ПТ. Основные характеристики и параметры ПТ в усилительном режиме. Пути повышения крутизны ПТ. Работа ПТ в режиме ключа. Частотные свойства ПТ (эквивалентная схема).
Пути повышения предельной частоты и мощности ПТ и
уменьшения паразитной обратной связи. Особенности характеристик БТ с коротким каналом: эффект насыщения в ПТ с
затвором Шоттки, эффект баллистического переноса электронов. ПТ с высокой подвижностью электронов (HEMT). (8 ч.)
Свойства структуры металл-диэлектрик-полупроводник: режимы аккумуляции, истощения и инверсии; эффект поля.
Энергетическая диаграмма и вольт-фарадная характкристика
МДП-структуры. Пороговое напряжение и потенциал инверсии. Подвижный заряд в инверсионном слое. Конструкция и
принцип работы МДП-ПТ. Статические характеристики
МДП-ПТ. Работа ПТ в режиме ключа и усилительном режиме. Параметры усилительного режима: крутизна, выходная
проводимость, пороговое напряжение. Частотные свойства
МДП-ПТ, эквивалентная схема, факторы, определяющие предельную частоту МДП-ПТ. Короткоканальные эффекты в
МДП-ПТ, принцип "масштабирования" при конструировании
МДП-ПТ. Типы МДП-ПТ. (10 ч.).
III. Распределение часов курса по темам и видам работ
№
пп
Наименование
темы
1
Контакт металл-полупроводник (КМП) и
приборы на его основе
Электроннодырочные перехо-ды
(р-п переходы)
Приборы с неустойчивостью на переменном сигнале (генераторные диоды)
2
3
Всего
часов
Аудиторные занятия (час)
в том числе
лаборатор.
лекции
семинары
занятия
Самостоятельная
работа
24
16
2
6
20
12
2
6
6
6
4
5
6
7
Гетеропереходы
Биполярные транзисторы
Полевые транзисторы
с p-n переходом и барьером Шоттки в качестве затвора
Полевые транзисторы
с изолированным затвором (МДП-ПТ)
ИТОГО
4
4
20
12
2
6
14
8
2
4
18
10
2
6
106
68
10
28
IV. Форма итогового контроля:
1 семестр – экзамен
2 семестр - зачёт
V. Учебно-методическое обеспечение курса
1. Рекомендуемая литература (основная):
1. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. В 2-x книгах. Перев. с англ. 2-ое перераб.
и доп. издание.- М: Мир, 1984.
2. 2. В.И. Гаман. Физика полупроводниковых приборов. 2-ое перераб. и доп. издание.
Томск, 2000 - 425 с.
3. З. И. М. Викулин, В.И. Стафеев. Физика полупроводниковых приборов. - М.: "Сов.
Радио", 1980 - 289 с.
2. Рекомендуемая литература (дополнительная)
1. М. Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия. Изд-во Мир, М., 1991.
2. Э.X. Родерик. Контакты металл-полупроводник.- М.: Радио и связь, 1982.
3. Б.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. Полупроводниковые приборы.- М.: Высшая школа, 1987 459 с.
Автор
Божков Владимир Григорьевич, д.т.н., профессор