МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Тверской государственный университет»

УТВЕРЖДАЮ

Руководитель ООП подготовки

Магистров_

«»2012 г.

Учебно-методический комплекс по дисциплине Cпециальный физический практикум 1 Для студентов 1 курса 011800.68 – РАДИОФИЗИКА Программа специализированной подготовки магистров Физика и технология радиоэлектронных приборов и устройств Обсуждено на заседании кафедры Составитель:

« 25 » января 2012 г. Д.т.н., профессор Каплунов И.А.

Протокол № Зав. кафедрой Смирнов Ю.М.

Тверь II. Пояснительная записка 1. Цели и задачи дисциплины Целями освоения дисциплины (модуля) являются ознакомление элементной базой микроэлектроники - интегральными микросхемами (полупроводниковыми, пленочными, гибридными). Уделено внимание функциональной микроэлектронике: изучаются физические явления и процессы, используемые в функциональной микроэлектронике, основные направления развития, приборная база функциональной микроэлектроники.

2.Место дисциплины в структуре ООП магистратуры Дисциплина входит в вариативную часть цикла ПФЦ.В.

3.Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единиц, 144 часа.

4. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля) формирование и развитие у обучающихся компетенций:

способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности знания и умения, в том числе в новых областях, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять свое научное мировоззрение (ОК-3);

способностью использовать углубленные знания правовых и этических норм при оценке последствий своей профессиональной деятельности, при разработке и осуществлении социально значимых проектов (ОК-4);

способностью адаптироваться к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности, к изменению социокультурных и социальных условий деятельности (ОК-7);

способностью к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своим профилем подготовки) (ПК-1);

способностью к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);

научно-исследовательская деятельность:

способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);

способностью самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4);

научно-инновационная деятельность:

способность описывать новые методики инженерно-технологической деятельности (ПК-7);

способностью составлять обзоры перспективных направлений научно-инновационных исследований, готовностью к написанию и оформлению патентов в соответствии с правилами (ПК-8).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

•Знать: законы и основные понятия физики полупроводников, основы современных технологий создания приборов микро- и наноэлектроники по наиболее широко используемому циклу планарной технологии;

•Уметь: ясно излагать и аргументировать собственную точку зрения, анализировать особенности применения материалов, технологий при изготовлении микроэлектронных устройств;

• Владеть понятиями, способами, методами, применяемыми при изготовлении микроэлектронных устройств, поиском информации в сети Интернет.

5. Образовательные технологии практические занятия и лабораторные работы, подготовка письменных работ, решение задач.

6. Формы контроля – экзамен и зачет III. Учебная программа 1. Предмет микроэлектроники. Основные термины и определения Развитие микроэлектроники. Конструктивно-технологические типы интегральных микросхем. Состояние технологии изготовления БИС.

2. Материалы для микро-и наноэлектроники. Электрические свойства полупроводников.

Структура кристаллической решетки и энергетических зон. Механизм протекания электрического тока. Свободные носители: дрейфовая скорость, подвижность, рассеяние, генерация и рекомбинация. Полупроводники в сильных электрических полях.

3. Технологические особенности микро-и наноэлектроники.

Планарная технология на кремнии. Выращивание монокристаллов. Термическое окисление. Фотолитография. Введение примесей и диффузия. Нанесение тонких пленок.

Сборка микросхем. Моделирование технологических процессов.

4. Пассивные элементы микросхем.

Полупроводниковые резисторы. Пленочные резисторы. Конденсаторы и индуктивные элементы.

5. Активные элементы микросхем.

Биполярные транзисторы; многоэмиттерные; с комбинированной изоляцией; с диодом Шотки. МДП транзисторы: транзисторы с каналами U-типа и самосовмещенными затворами; транзисторы с коротким каналом. Полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник.

6. Элементы памяти.

ПЗС структуры. Элементы памяти статического и динамического типа на МДП транзисторах. Элементы памяти на биполярных транзисторах.

7. Функциональная микроэлектроника.

Оптоэлектроника и оптоэлектронные микросхемы. Акустоэлектроника. Приборы с зарядовой связью. Хемотроника. Квантовая микроэлектроника.

IV. Рабочая учебная программа термины и определения.

Полупроводники. Электрические свойства полупроводников.

наноэлектроники.

5. Планы и методические указания по подготовке к выполнению лабораторных работ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Цель работы Ознакомиться с методами получения монокристаллов полупроводниковых веществ, предназначенных для исследований (по литературным данным).

Изучить правила ТБ.

Освоить приемы подготовки монокристаллов к исследованиям.

Изучить методики измерений удельного электросопротивления и определения типа проводимости.

Провести измерения удельного электросопротивления и определить тип проводимости.

Статистически обработать результаты измерений удельного электросопротивления.

1.Методы получения монокристаллов полупроводниковых веществ из расплава и их Известен ряд методов получения монокристаллов из расплава, таких как: методы Чохральского, Киропулоса, Штебера, Степанова, зонной плавки. Общим для всех методов является получение расплава, затравление на монокристаллическую затравку и дальнейшее разращивание монокристалла в расплаве за счет наличия температурных градиентов.

В лабораторной работе необходимо исследовать монокристаллы германия, выращенные методом, позволяющим получать монокристаллы в форме дисков, т.е. с большим отношением диаметра к длине. Суть метода состоит в следующем:

поликристаллическую загрузку помещают в графитовый тигель заданной формы. С помощью графитового нагревателя в тигле получают расплав, после чего затравливаются на небольшой ориентированный монокристалл и ведут разращивание от центра до краев тигля. После полной кристаллизации всего объема расплава, выключают нагреватель и охлаждают систему. Выращивание проводят в вакууме.

После получения монокристаллов приступают к изучению их основных параметров, к которым относятся: удельное электросопротивление и концентрация носителей заряда, подвижность носителей заряда и время жизни носителей заряда, плотность дислокаций и характер их распределения в кристалле, тип проводимости, определение ориентации и отклонения от заданного кристаллографического направления.

В данной лабораторной работе изучаются два параметра - удельное электросопротивление и тип проводимости.

а) Определение типа проводимости:

При наличии на поверхности монокристалла видимых невооруженным глазом следов окисления, побежалостей с поверхности монокристалла удаляют окисную пленку травлением или шлифовкой; монокристаллы промывают в деионизованной воде и просушивают фильтровальной бумагой.

б) Измерение удельного электросопротивления.

Измерения проводят на плоских поверхностях, подготовленных с использованием абразивных материалов с параметром шероховатости Rz не более 40 мкм по ГОСТ 2789-73.

3. Методики измерений типа проводимости и удельного электросопротивления.

Схемы и порядок проведения измерений на установках.

Тип проводимости.

Существует несколько методов определения типа проводимости полупроводниковых материалов:

1. Метод термозонда (холодного или горячего).

2. Метод точечно-контактного выпрямления (по виду вольтамперной характеристики в точечном контакте металл-полупроводник).

3. Метод определения знака коэффициента Холла.

Метод определения знака коэффициента Холла является основным методом определения типа проводимости. Два других метода обладают большей локальностью и могут быть использованы для выявления областей с отличающимися типами проводимости в пределах одного монокристалла. Для материалов с проводимостью, близкой к собственной, рекомендуется использование основного метода определения типа проводимости по знаку коэффицицента Холла.

Метод термозонда (холодного или горячего) рекомендуется для n- и p-типа германия, удельное электрическое сопротивление которого при комнатной температуре менее 40 Омсм. Тип проводимости германия с удельным электрическим сопротивлением выше 40 Омсм определяют методом холодного термозонда.

Метод точечно-контактного выпрямления рекомендуется для образцов n- и p-типа германия с удельным электросопротивлением выше 1 Омсм.

В данной работе тип проводимости полупроводника определяется методом точечно-контактного выпрямления. Сущность метода заключается в следующем:

выпрямляющие свойства контакта металл-полупроводник определяются типом носителей заряда в полупроводнике. Метод основан на качественном сравнении сопротивлений точечного контакта при различных полярностях приложенного напряжения. Тип проводимости определяют по виду вольтамперной характеристики, получаемой на экране осциллографа.

Принципиальная схема метода приведена на рис.1. Зонд изготавливается из вольфрамовой или стальной проволоки. Вторым контактом служит металлическая пластина из меди или свинца. Осциллографы, пригодные для наблюдения вольтамперных характеристик типа С1-5, С1-19, С1-48 или аналогичные им.

При измерениях монокристалл включают в измерительную схему способом, показанным на рис.1. Прижимом измерительного зонда к поверхности монокристалла добиваются появления на экране осциллографа вольтамперной характеристики вида, показанного на рис.2, свидетельствующей о наличии в цепи выпрямляющего контакта.

Тип проводимости определяют в соответствии с рис.2. Метод не вводит количественных характеристик.

Удельное электросопротивление Существует несколько методов измерения удельного электросопротивления:

1. Зондовые методы.

2. Бесконтактные методы.

3. Методы с применением электронного контакта.

К зондовым методам относятся:

а) четырехзондовый метод, б) модификации четырехзондового метода - один из четырех зондов имеет специальное расположение; метод Ван-дер-Пау, когда все 4зонда располагаются по краям плоских пластин произвольной формы, в) двухзондовый, г) однозондовый.

К факторам, определяющим точность измерений удельного электросопротивления зондовыми методами относятся: неоднородность удельного сопротивления в пределах области порядка нескольких расстояний между зондами, поверхностная проводимость, погрешность за счет изменения межзондового расстояния, зависимость величины измеряемого сопротивления от величины тока, проходящего через зонды. Влияние всех этих факторов экспериментально изучено, определена погрешность по которой корректируются результаты измерений.

Бесконтактные методы измерений основаны на применении токов высокой частоты. Существенным недостатком бесконтактных измерений является применимость их только к образцам, имеющим форму стержней круглого сечения, а также большая глубина проникновения высокочастотного поля в полупроводник, что сильно снижает чувствительность метода. Для повышения Рис.1. Измерительная схема для определения типа проводимости 1- точечный контакт (зонд), 2- монокристалл, 3- омический контакт, 4-автотрансформатор, 5- отвод к горизонтальным пластинам осциллографа, 6- отвод к вертикальным пластинам осциллографа, 7- регулировочное сопротивление.

Рис.3 Схема установки для измерения удельного электросопротивления чувствительности прибегают к использованию метода сверхвысоких частот.

Для определения электропроводимости полупроводников и диэлектриков (тонких слоев) разработаны специальные методы, основанные на применении электронного контакта. Простотой и универсальностью отличается двухпучковый метод. Существует также метод определения потенциала по спаду тока электронного прожектора при потенциалах его катода, превышающих потенциал излучаемой поверхности. А.Регель с сотрудниками разработали особый метод для измерения электропроводимости расплавленных полупроводников или веществ, которые при высоких температурах реагируют с металлическими электродами. Для измерения свойств порошкообразных полупроводников применяется метод измерения диэлектрических потерь на высокой частоте. Келлер предложил устройство контактного типа, которое позволяет следить за величиной удельного сопротивления слитков внутри установок бестигельной зонной плавки. Существует также метод, разработанный Мазуром и Диким - метод растекания, который используется для оценки однородности удельного сопротивления монокристаллов кремния и для контроля профиля концентрации в диффузионных слоях арсенида галлия.

В данной работе используется четырехзондовый метод измерения удельного электросопротивления. В 1954 году Вальдесом была детально изучена и исследована возможность его использования для германия. Этот метод не требует знания величины площади сечения образца и может применяться для измерений удельного электросопротивления на образцах любой формы, имеющих одну плоскую поверхность.

Метод основан на расчете удельного электрического сопротивления по измерению разности потенциалов в двух точках, расположенных на плоской поверхности монокристалла при пропускании через два точечных контакта, расположенных на той же поверхности, электрического тока определенной величины.

Сущность метода заключается в следующем: на плоскую поверхность образца, размеры которого много больше расстояния между зондами, опускают 4 зонда (рис.3).

Через крайние зонды 1 и 4 пропускают ток I, между средними зондами 2 и 3 измеряют падение напряжения U. Удельное сопротивление определяется из соотношения где s - расстояние между зондами.

Формула может быть получена следующим образом. Если через контакт проходит ток I, то в точке контакта на расстояние r, плотность тока i, напряженность электрического поля Е и соответственно потенциал равны:

где А - const.

Знак потенциала определяется направлением тока. Потенциалы 2 и 3 зонда, определяемые наложением потенциалов от первого и четвертого зондов, равны Разность потенциалов или падение напряжения между средними зондами В случае использования этого метода при условии контакта с изолирующей средой и если расстояние между зондами сравнимо с расстоянием от крайнего зонда до границы образца или с толщиной образца, будут получаться завышенные значения. Это происходит потому, что ток растекается в меньшем объеме и плотность тока в образце повышается по сравнению с расчетной. При контакте с проводящей средой должны получаться заниженные значения. Обычно поправочные коэффициенты рассчитываются при использовании метода зеркальных изображений.

где l - расстояние от крайнего зонда до края поверхности.

Fmax При l / s 2 поправка мала.

Таким образом, расстояние от зондов до края образца должно быть больше удвоенного расстояния между зондами.

4. Определение типа проводимости и измерения удельного электросопротивления В данной лабораторной работе необходимо исследовать электрофизические свойства монокристалла германия диаметром 80мм и толщиной 30мм, а именно, определить его тип проводимости и измерить удельное электросопротивление (по 16 радиусам через 1см).

Подсчитать среднее арифметическое формуле где 6. Список литературы а) основная литература:

1. И.А.Каплунов, А.И. Колесников Введение в технологию микроэлектронных изделий.

Учебное пособие. Тверь: ТвГУ, 2007.

2. И.А.Каплунов Физическое материаловедение. Фазовые равновесия. Учебное пособие.

Тверь: ТвГУ, 2009.

3. А.А.Блистанов. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики. М. 4. Ефимов И.Е., Козырь И.И. Основы микроэлектроники. Учебное пособие. С.Пб: Лань.

5. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. С.Пб: Лань. 6. Л.Е.Афанасьева, Р.М.Гречишкин, С.Е.Ильяшенко Стереологические методы анализа микро- и наноструктур. Учебное пособие. ТвГУ. б) дополнительная литература:

1. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. М., Высшая школа. 1987.

2. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. М., Высшая школа. 1987.

3. Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. Под ред. А.А.Васенкова и Я.А.Федотова. М., Радио и связь. 1989.

4. Сугано Т., Икома Т., Такеиси Е. Введение в микроэлектронику. М., Мир. 1988.

5. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М., Высшая школа. 1979.

6. Л.М.Летюк, А.М.Балбащев, Д.Г.Крутогин и др. Технология прозводства материалов магнитоэлектроники. Учебник для вузов. М. Металлургия. 1994.

7. И.А.Каплунов Введение в физику керамических материалов Учебное пособие. Тверь.

8. А.Я.Нашельский Технология спецматериалов электронной техники. М.

Металлургия.1993.

9. Б.В.Линчевский Техника металлургического эксперимента. М. Метал-лургия.1992.

10. Теория и технология электро-металлургических процессов. Лабораторный практикум.

М. Металлургия.1994.

11. И.А.Соколов Расчеты процессов полупроводниковой технологии. М.

Металлургия. 12. Р.Маллер, Т.Кейминс Элементы интегральных схем. М. Мир. 1989.

13. Л.Росадо. Физическая электроника и микроэлектроника. М., «Высшая школа», 1991.

14. Т.Сугано,Т.Икома,Ё.Такэиси. Введение в микроэлектронику. М.,Мир,1988.

15. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Кн.1.

Общая технология /И.Я.Козырь, Ю.И.Горбунов и др. М., «Высшая школа»,1989.

16. Г.И.Епифанов. Физика твердого тела. М., «Высшая школа». 1977.

17. В.В.Горбачев, Л.Г.Спицына. Физика полупроводников и металлов. М., «Металлургия».

1976.

18. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков.

М. 1988.

19. Физическое материаловедение. Под ред. Р.Канна. М. вып.2. 1968.

20. Н.Г.Рябцев. Материалы квантовой электроники. М. 1972.

21. А.А.Блистанов и др. Акустические кристаллы. М. 1982.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы: cм. п.5 ООП 7. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы -по использованию материалов УМК Материалы УМК в первую очередь могут быть использованы студентами при самостоятельной работе, подборе рекомендованной литературы для проработки, определении непонятных вопросов, которые следует выяснить у преподавателя на консультационных занятиях.

- по работе с учебной и научной литературой Учебная и научная литература приводится в УМК не как абсолютно обязательная, но в ряде случаев ориентирующая. Студент может использовать и другие издания, но всё же при консультациях выяснить у преподавателя целесообразность их использования.

- по подготовке к практическим занятиям, контрольным работам и экзамену учитывается творческая активность студентов - Типовые тесты 1. Интегральная микросхема может состоять:

-из радиоэлектронных компонентов;

-из радиоэлектронных элементов;

-из радиоэлектронных компонентов и элементов.

2. Пленочные микросхемы имеют более высокие электрические характеристики следующих радиоэлементов, чем полупроводниковые микросхемы:

-сопротивление;

-диод;

-индуктивность.

3. Подложка микросхемы может изготавливаться из следующих материалов:

-кремний;

-германий;

-ситалл;

-керамика;

-диэлектрик;

-металл;

-все материалы.

4. Рабочая температура микросхемы (верхний предел) ограничена из-за:

-разгерметизации корпуса микросхемы;

-расплавления паянных контактов;

-испарения легирующих примесей;

увеличения концентрации носителей заряда;

снижения электропроводности.

5. Фотошаблоны в микроэлектронике используются:

-для создания активных элементов;

-для создания пассивных элементов;

-при легировании;

-во всех случаях.

- банк контрольных вопросов и заданий по учебной дисциплине - см.пункт - перечень основных понятий 8. Требования к рейтинг-контролю - количество баллов в каждом модуле и их распределение на текущий и рубежный контроль 1 модуль – количество баллов до 2 модуль - количество баллов до - распределение тем учебной дисциплины по соответствующим модулям 1 модуль - Темы №№ 1, 2, 3, 2 модуль - Темы №№ 4, 5, 6, - формы оценивания текущей учебной работы опрос, контрольные работы (по указанию преподавателя.) - перечень вопросов и заданий для подготовки к рубежному контролю cм. номера тем к модулям 9. Программа вопросов к экзамену.

1. Развитие микроэлектроники. Основные понятия. Типы интегральных микросхем.

2. Кристаллические решетки полупроводников.

3. Структура энергетических зон полупроводников.

4. Механизм протекания электрического тока в полупроводниках. Свободные носители:

дрейфовая скорость, подвижность, рассеяние, генерация, рекомбинация.

5. Полупроводники в сильных электрических полях.

6. Планарная технология изготовления интегральных микросхем, выращивание монокристаллов, изготовление пластин.

7. Термическое окисление, фотолитография.

8. Введение примесей при изготовлении интегральных микросхем.

9. Пассивные элементы интегральных микросхем (планарная технология, пленочная технология).

10. Квантовая микроэлектроника: приборы на основе эффектов Ганна и Джозефсона.

11. Хемотроника.

12. Приборы с зарядовой связью.

13. Оптоэлектроника и оптоэлектронные микросхемы.

14. Функциональная микроэлектроника, основные направления развития, процессы и явления, используемые при работе микросхем.

15. Элементы памяти на биполярных транзисторах.

16. Элементы памяти на МДП транзисторах.

17. Логические элементы микросхем на полевых транзисторах.

18. Логические элементы микросхем на биполярных транзисторах 19. Транзисторы интегральных микросхем 10. Программа научно-исследовательской практикики общая для всей специализации 11. Тематика и указания по выполнению курсовых работ общие для всей специализации 12. Раздаточный материал и наглядные пособия Монокристаллы для производства интегральных микросхем; пластины кремния и германия для производства интегральных схем; пластины кремния с нанесеннми радиоэлементами для производства интегральных схем; полупроводниковые интегральные микросхемы; пленочные интегральные микросхемы.

13. Перечень программного обеспечения и Интернет-ресурсов 13.1. Лицензионное программное обеспечение Системное ПО:

Microsoft Windows (версии XP и 7);

Microsoft Windows Server (версии 2003 R2 и 2008 R2);

Novell Netware 5.1.

Обучение основам программирования и Web-разработки:

Microsoft Visual Studio 2010;

Microsoft Expression 3;

Embarcadero RAD Studio 2009 Architect.

Офисные программы:

Microsoft Office Professional (версии 2003, 2007 и 2010).

Графика:

Adobe Photoshop (версии CS2, CS4);

Adobe Acrobat Professional (версии 7, 8, 9).

Научные расчеты и графика:

MapleSoft Maple 10;

MathWorks Matlab 2010;

OriginLab OriginPro 8.1.

Моделирование и проектирование в радиоэлектронике:

Cadence OrCAD PCB 16.3.

Вспомогательное ПО:

Словари ABBYY Lingvo;

Adobe Reader 9;

Система OCR ABBYY FineReader;

Файловый менеджер Total Commander 7.x;

NetOp School;

Антивирусное ПО Symantec Endpoint Protection.

13.2. Перечень доступных для ТвГУ информационных ресурсов Внутренние информационные ресурсы:

Сервер информационно-методического обеспечения учебного процесса – http://edc.tversu.ru;

Научная библиотека ТвГУ – http://library.tversu.ru;

Сервер доступа к модульной объектно-ориентированной динамической учебной среде Moodle – http://moodle.tversu.ru;

Сервер обеспечения дистанционного обучения и проведения Web-конференций Mirapolis Virtual Room – http://mvr.tversu.ru;

Репозирорий научных публикаций ТвГУ – http://eprints.tversu.ru.

Внешние информационные ресурсы:

Научная электронная библиотека eLibrary.ru;

Электронная база данных диссертаций РГБ;

База данных Реферативных журналов ВИНИТИ;

Полнотекстовый доступ к журналам AIP (Американский институт физики);

Полнотекстовый доступ к журналам и книгам издательства Springer Verlag;

Полнотекстовый доступ к отдельным журналам и книгам Института инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers);

Полнотекстовый доступ к отдельным журналам Optical Society of America;

Полнотекстовый доступ к журналам ACS (Американского химического общества);

Реферативная база Inspec (доступ к рефератам и полным текстам монографий и научных статей в области физики, электротехники, электроники, коммуникаций, компьютерных наук и информационных технологий);

Коллекция электронных книг Оксфордско-Российского фонда;

Корпоративный каталог «КОРБИС (Тверь и партнеры)».