Физика электронных приборов и средств связи

Бакалавриат 2019/2020

Статус: Курс по выбору (Инфокоммуникационные технологии и системы связи)

Направление: 11.03.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 3-й курс, 1-3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Лысенко Александр Павлович

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 100

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Дисциплины «Физика электронных приборов и средств связи» служит для ознакомления учащихся с физическими основами современной твердотельной электроники, с основными элементами дискретной и интегральной микро- и наноэлектроники. В курсе рассматриваются: основные понятия о зонной теории твердого тела; собственные и примесные полупроводники; статистика равновесных и неравновесных носителей заряда в кристаллах; контактные явления; теория р-п-перехода; физические процессы в биполярных и полевых транзисторах; фотоэлектрические приборы; приборы СВЧ-диапазона. Текущий контроль предусматривает учет активности студентов в ходе проведения практических занятий, выступления, участие в дискуссиях, консультации с преподавателем. Промежуточный контроль в виде устного экзамена предусмотрен после 1 модуля. Блокирующие элементы не предусмотрены. Итоговый контроль в форме экзамена проводится в устной форме. Дисциплина читается в 1, 2 и 3 модуле 3 курса бакалавриата.

Цель освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины «Физика электронных приборов и средств связи» являются формирование систематических знаний о явлениях и процессах в полупроводниках, использующихся при разработке приборов твердотельной электроники; формирование представлений о достаточно сложных процессах в различного рода контактах, являющихся основой практически всех приборов современной микроэлектроники; ознакомление студентов с физическими процессами, происходящими в различных твердотельных приборах дискретного и интегрального исполнения.

Планируемые результаты обучения

Знать зонные структуры металлов, полупроводников, диэлектриков
Знать основные физические процессы в кристаллических структурах
Знать физические процессы в контакте металл-полупроводник
Знать основные физические процессы в полупроводниковых контактах
Уметь проводить оценочные расчеты физических характеристик полупроводниковых материалов
Знать структуру и принципы работы биполярных транзисторов
Знать структуру и принципы работы полевых транзисторов
Знать структуру и принципы работы МДП-транзисторов.
Знать структуру и принципы работы тиристоров
Знать разновидности, структуры и принципы работы СВЧ-диодов
Знать основные разновидности и принципы работы фотоэлектронных приборов

Содержание учебной дисциплины

Зонная теория кристаллов и статистика равновесных и неравновесных носителей заряда в кристаллах.
Обобществление электронов в твердых телах. Свойства энергетического спектра электронов, энергетические зоны. Дисперсионные зависимости. Групповая скорость движения электронов. Движение электронов под действием внешней силы. Эффективная масса носителей заряда. Периодические граничные условия. Число состояний в зоне. Заполнение зон электронами и де-ление тел на металлы, диэлектрики и полупроводники. Дырки в полупроводниках. Примесные атомы в полупроводниках. Водородоподобная модель. Донорные и акцепторные полупроводники. Функции плотности состояний для нижней части зоны проводимости и верхней части валентной зоны. Функция распределения Ферми – Дирака. Эффективная масса плотности состояний. Полная функция распределения. Вырожденные и невырожденные полупроводники. Функция распределения Максвелла – Больцмана. Зависимость концентраций электронов и дырок в полупроводнике от энергии Ферми. Энергия Ферми и концентрация свободных носителей заряда в собственном полупроводнике. Примесные полупроводники. Мелкая донорная примесь. Концентрация свободных носителей заряда и энергия Ферми в области слабой ионизации примеси и в области истощения примеси. Переход к собственной проводимости. Акцепторные полупроводники. Сильно легированные полупроводники. Компенсированные полупроводники. Многозарядные примесные центры. Генерация и рекомбинация носителей заряда. Равновесные и неравновесные носители заряда в полупроводниках. Неравновесная функция распределения. Квазиуровни Ферми. Время жизни носителей заряда.
Проводимость кристаллических тел
Кинетическое уравнение Больцмана. Приближение времени релаксации. Эффективное сечение рассеяния. Типы центров рассеяния. Рассеяние на ионах примеси, на атомах примеси и дислокациях. Понятие о нормальных колебаниях решетки. Фононы. Рассеяние на тепловых колебаниях решетки. Дрейф носителей заряда в электрическом поле. Электропроводность полупроводников. Зависимость подвижности носителей и электропроводности полупроводников от температуры. Дрейф в сильном электрическом поле.
Контакт металл-полупроводник
Термоэлектронная эмиссия. Контактная разность потенциалов. Понятие плотного и не плотного электрического контакта. Выпрямляющий контакт к п- и р-полупроводнику: равновесная энергетическая диаграмма контакта, эпюры плотности объемного заряда и электрического поля, состояние термодинамического равновесия, изменение энергетической диаграммы контакта при смещении, вольт-амперная характеристика контакта. Антизапорные контакты к полупроводнику: равновесная энергетическая диаграмма контакта, прохождение тока через контакт. Омические контакты к полупроводникам.
Физические процессы в р-п-переходе
Методы создания р-п-перехода. Равновесная энергетическая диаграмма. Контактная разность потенциалов в р-п-переходе. Решение уравнения Пуассона для области объемного заряда р-п-перехода. Эпюры плотности объемного заряда, электрического поля и потенциала в зоне перехода в равновесном состоянии. Равновесная толщина области объемного заряда. Изменение слоя объемного заряда под действием внешнего смещения, зарядовая (или барьерная) емкость р-п-перехода. Состояние термодинамического равновесия р-п-перехода. Нарушение термодинамического равновесия р-п-перехода под действие внешнего смещения. Качественная картина проводимости р-п-перехода при прямом и обратном смещении. Понятие инжекции и экстракции. Вольт-амперная характеристика «тонкого» р-п-перехода. Влияние сопротивления базы на вид вольт-амперной характеристики. Влияние температуры на вид вольт-амперной характеристики. Влияние процессов генерации и рекомбинации в области объемного заряда на вид вольт-амперной характеристики. Пробой р-п-перехода: тепловой пробой, лавинный пробой, туннельный пробой. Частотные и импульсные свойства р-п-перехода. Диффузионная емкость р-п-перехода.
Биполярные транзисторы
Структура, принцип действия, схемы включения транзистора. Энергетическая диаграмма при нормальном включении. Анализ схемы с ОБ, усиление мощности. Усиление тока транзисто-ром в схеме с ОЭ. Коэффициенты передачи токов эмиттера и базы. Зависимость коэффициента передачи тока базы от режима и температуры. Статические характеристики транзистора. Входные и выходные характеристики, характеристики передачи транзистора в схеме с общей базой и общим эммитером. Сущность эффекта Эрли. Пробой транзистора. Модель Эберса-Молла. Влияние температуры на статические характеристики. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора. Физические схемы и собственные параметры. Параметры транзистора как линейного четырехполюсника. Зависимость малосигнальных параметров от постоянной составляющей тока на входе и напряжения на выходе. Частотные параметры транзистора. Работа транзистора с нагрузкой. Нагрузочная характеристика. Активный режим работы. Ключевой режим работы транзистора. Работа транзистора на импульсах. Переходные процессы в транзисторе. Классификация транзисторов по мощности и по частоте. Методы формирования и основ-ные типы транзисторных структур. Конструктивно-технологические особенности мощных транзисторов. Биполярные транзисторы как элементы интегральных микросхем.
Фотоэлектрические приборы.
Светодиоды и твердотельные лазеры. Фотодетекторы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры). Солнечные батареи.
СВЧ-генераторные диоды
Диоды Ганна. Лавинно-пролетные диоды. Туннельные диоды.
Тиристоры
Структура и принцип действия диодного тиристора. Энергетические диаграммы. Откры-тое и закрытое состояние. Вольт-амперная характеристика. Суммарный коэффициент передачи тока тиристорной структуры. Пробой тиристора. Диодый тиристор с зашунтированным эмиттер-ным переходом. Триодный тиристор. Принцип управления. Условие переключения. Симметричный тиристор. Способы управления тиристорами. Конструктивно-технологические особенности и параметры тиристоров.
Полевые транзисторы с управляющим переходом
Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом. Структура и принцип действия. Статиче-ские выходные характеристики и характеристики передачи. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы. Разновидности полевых транзисторов. Полевые транзисторы с управляющим барьером Шотки (ПТШ). Сравнительная характеристика арсенида галлия и кремния. Структура ПТШ. Принцип действия при работе в режимах обогаще-ния и обеднения канала. Статические характеристики. Конструктивно-технологические особенности и основные параметры. ПТШ как элементы интегральных микросхем на основе арсенида галлия.
МДП-транзисторы
Эффект электрического поля в полупроводниках. Идеальная структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура). Энергетические диаграммы МДП-структуры в режимах обогащения, обеднения и инверсии. Пороговое напряжение. Особенности реальных МДП-структур. Структура, принцип действия и схемы включения МДП-транзистора. Транзисторы с инду-цированным и со встроенным каналом. Статические выходные характеристики. Перекрытие канала. Напряжение насыщения. Уравнения BAX для крутой и пологой частей характеристик. Характеристики передачи. Влияние температуры на статические характеристики. Пробой транзистора. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы МДП-транзистора. Частотные свой-ства. Переходные процессы в МДП-транзисторе при работе в качестве электронного ключа. Конструктивно-технологические разновидности транзисторов. Эффекты короткого канала в МДП-транзисторах. Зависимость порогового напряжения от длины канала и напряжения на стоке. Особенности статических характеристик короткоканальных транзисторов. Транзисторы с самосовмещенным затвором. МДП-транзисторы как элементы интегральных микросхем. Приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Элементы контроля

Активность на семинарах 1
Активность на семинарах 2-3
Домашняя работа 1
Домашняя работа 2
Контрольная работа 1
Контрольная работа 2
экзамен 1
Экзамен состоялся в конце 1 модуля.
экзамен 2
Экзамен проводится в устной форме (опрос по материалам курса). Экзамен проводится на платформе Jitsi https://meet.miem.hse.ru К экзамену необходимо подключиться согласно расписанию ответов, высланному преподавателем на корпоративные почты студентов накануне экзамена. Компьютер студента должен удовлетворять требованиям: наличие рабочей камеры и микрофона, поддержка Jitsi. Для участия в экзамене студент обязан: поставить на аватар свою фотографию, явиться на экзамен согласно точному расписанию, при ответе включить камеру и микрофон. Во время экзамена студентам запрещено: выключать камеру, пользоваться конспектами и подсказками. Кратковременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение связи менее минуты. Долговременным нарушением связи во время экзамена считается нарушение минута и более. При долговременном нарушении связи студент не может продолжить участие в экзамене. Процедура пересдачи подразумевает использование усложненных заданий.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (1 модуль)
0.13 * Активность на семинарах 1 + 0.25 * Домашняя работа 1 + 0.12 * Контрольная работа 1 + 0.5 * экзамен 1
Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.13 * Активность на семинарах 2-3 + 0.25 * Домашняя работа 2 + 0.12 * Контрольная работа 2 + 0.5 * экзамен 2

Программа дисциплины