• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Бакалавриат 2020/2021

Физика электронных приборов и средств связи

Направление: 11.03.02. Инфокоммуникационные технологии и системы связи
Когда читается: 3-й курс, 1-3 модуль
Формат изучения: без онлайн-курса
Охват аудитории: для своего кампуса
Язык: русский
Кредиты: 6

Программа 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

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

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
  • Знать структуру и принципы работы биполярных транзисторов
  • Знать структуру и принципы работы полевых транзисторов
  • Уметь проводить оценочные расчеты физических характеристик полупроводниковых материалов
  • 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

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

Элементы контроля

  • неблокирующий Активность на семинарах 1
  • неблокирующий Активность на семинарах 2-3
  • неблокирующий Домашняя работа 1
  • неблокирующий Домашняя работа 2
  • неблокирующий Контрольная работа 1
  • неблокирующий Контрольная работа 2
  • неблокирующий экзамен 1
    Экзамен состоялся в конце 1 модуля.
  • неблокирующий 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. 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

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

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Биополярные транзисторы. : учеб. пособие, Лысенко, А. П., 2006
  • Твердотельная электроника : учебник для вузов, Епифанов, Г. И., Мома, Ю. А., 1986
  • Физические процессы в р-n-переходе : учеб. пособие, Лысенко, А. П., 2009

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Александров С.Е., Греков Ф. Ф. - Технология полупроводниковых материалов - Издательство "Лань" - 2012 - 240с. - ISBN: 978-5-8114-1290-7 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/3554
  • Глинченко А.С., Егоров Н.М., Комаров В.А. - Исследование параметров и характеристик полупроводниковых приборов с применением интернет-технологий: учеб. пособие - Издательство "ДМК Пресс" - 2010 - 352с. - ISBN: 5-94074-416-8 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/874
  • Лебедев А.И. - Физика полупроводниковых приборов - Издательство "Физматлит" - 2008 - 488с. - ISBN: 978-5-9221-0995-6 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2244
  • Полупроводниковые приборы : учеб. пособие, Пасынков, В. В., Чиркин, Л. К., 2006