[ Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета заочного
и дистанционного обучения
_Красовский В.И.
"_" _ 2003 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ПО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ ОСНОВАМ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ФАКУЛЬТЕТА ЗАОЧНОГО
И ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
"МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ" 39.02. и"ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ" 39.02.КАФЕДРА ХИМИИ
КУРС СЕМЕСТРЛЕКЦИИ 6 ЧАСОВ
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ 2 ЧАСА
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 65 ЧАСОВ
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 12 ЧАСОВ
ВСЕГО 85 ЧАСОВФОРМА ОТЧЕТНОСТИ ЭКЗАМЕН
2003 г.Рабочая программа разработана на кафедре химии на основании учебной типовой программы, утверждённой Министерством образования Республики Беларусь 24.06.01 г., регистрационный номер тд Составители: БОДНАРЬ И.В., д. х. н., проф., зав. каф. хим. Белорусского государственного университета Информатики и радиоэлектроники;
ПОЗНЯК А.А., к. ф-м. н., доц. кафедры химии Белорусского государственного университета Информатики и радиоэлектроники
РАССМОТРЕНА И РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ НА ЗАСЕДАНИИ
КАФЕДРЫ ХИМИИ «01» сентября 2003 г. ПРОТОКОЛ № ЗАВ. КАФЕДРОЙ ХИМИИ БОДНАРЬ И.В.
ОДОБРЕНА И РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ МЕТОДИЧЕСКОЙ КОМИССИЕЙ
ФАКУЛЬТЕТА КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
«» _ 2003 г., ПРОТОКОЛ № ПРЕДСЕДАТЕЛЬ МЕТОДИЧЕСКОЙ КОМИССИИ БОРОВИКОВ С.М.
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1. Цель преподавания дисциплины Расширение функциональных возможностей РЭС, улучшение их техникоэкономических показателей приводит к необходимости интенсивно внедрять последние достижения науки и техники в разработку, конструирование и технологию РЭС.Новые направления в радиоэлектронике требуют от разработчиков радиоэлектронной аппаратуры понимания множества сложных физических явлений и процессов в сплошных средах. Без ясного представления о физической природе явлений, определяющих работу конструкций РЭС и ЭВС и технологии их изготовления, без умения математически описать эти явления, невозможно заниматься проектированием РЭС и ЭВС. Для понимания принципов работы микроэлектронных устройств, возможности их использования в новых разработках электронной аппаратуры студент должен овладеть необходимыми знаниями, включающими в себя качественное и количественное описание строения полупроводниковых материалов, энергетического спектра и статистики носителей заряда и фононов, теории переноса, оптических и фотоэлектрических свойств твердых тел и контактных явлений. С другой стороны, характер производственных процессов при изготовлении РЭС в настоящее время является ветвью современной физической химии, что подразумевает изучение физико-химических свойств используемых материалов, методов получения новых материалов с заданными свойствами.
Все это диктует необходимость изучения физико-химических процессов, используемых при проектировании, изготовлении и эксплуатации РЭС, как учебной дисциплины “Физико-химические основы микроэлектроники и технологии”.
Настоящая программа курса составлена с учетом этих требований и отводимого времени.
Усвоение материала, предусмотренного программой необходимо также при изучении таких дисциплин данной специальности, как:
• материаловедение • технология производства ИОЭТ 1.2. Задачи изучения дисциплины:
• изучить основные физико-химические процессы, эффекты и явления, определяющие принципы построения и работу устройств электронной техники, а также технологические процессы их изготовления;
• привить научный подход к выбору и правильному использованию физических принципов работы приборов и используемых материалов при создании соответствующей аппаратуры;
• сообщить определенный объем знаний, позволяющий определять возможные области применения различных устройств электронной техники в соответствии с принципами их работы, производить анализ физических ограничений на параметры используемых приборов;
• дать базовый объем знаний для изучения последующих дисциплин данной специальности.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Курс ФХОМиТ включает в себя лекции (установочные и обзорные), практические и лабораторные занятия, самостоятельную работу студентов, выполнение контрольной работы.Семестр 2.1. Наименование тем, их содержание, объём в часах лекционных занятий.
УСТАНОВОЧНА
Я ЛЕКЦИЯ
ОБЗОРНЫЕ
ЛЕКЦИИ
Агрегатные состояния вещества. Основные свойства критвердые тела. Оссталлических и аморфных веществ. Кристаллические решетки. Решетки Браве. Обозначение узлов и направлений новы кристаллов кристаллах. Индексы Миллера.Описание частицы волновым пакетом. Фазовая и группоОсновы квантовой вая скорости. Соотношение Гейзенберга. Физический механики. электрона. Стационарное уравнение Шредингера. Основные результаты применения уравнения Шредингера.
Дисперсионная зависимость Е(к). Зоны Бриллюэна. Причины образования запрещенных зон в энергетическом Приведенные зоны. Металлы, полупроводники и диэлектрики в свете зонной теории. Эффективная масса электвердых тел.
трона. Понятие дырки. Собственные и примесные полупроводники. Положение примесных уровней в полупроводниках.
Функции распределения Максвела-Больцмана, ФермиСтатистика носи- Дирака и Бозе-Эйнштейна. Распределение Ферми-Дирака для металлов. Плотность заполнения уровней в полупротелей зарядов в водниках. Определение концентрации носителей в полупроводниках. Положение уровня Ферми и концентрация полупроводниках носителей заряда в собственных полупроводниках. Положение уровня Ферми и концентрация носителей заряда в Нормальные колебания атомов в кристалле. Фононы. ТеТепловые свойства плоемкость кристаллической решетки. Законы ДюлонгаПти и Дебая. Характеристическая температура Дебая.
твердых тел. Теплоемкость электронного газа. Тепловое расширение Удельная электропроводность для вырожденного и невыЭлектропровод- рожденного электронного газа. Подвижность свободных ность твердых тел. металлов и сплавов. Электропроводность собственных и 2.2. Наименование тем, их содержание, объём в часах практических, семинарских занятий занятий.
Практические занятия продолжительностью 2 академических часа предусматриваются для разбора задач, представляющих наибольшую сложность при выполнении контрольной работы. Эти задачи относятся, как правило, к темам 1.1 (Структура материалов электронной техники. Кристаллические твердые тела. Основы кристаллографии), 2 (Основы квантовой механики), 4 (Зонная теория твердых тел), (Статистика носителей зарядов в полупроводниках и металлах) и 11 (Контактные явления) раздела 4 (Учебно-методическая карта дисциплины) настоящей программы.
Основная цель проведения лабораторных занятий состоит в закреплении теоретического материала курса, приобретении навыков выполнения эксперимента, обработки экспериментальных данных, анализа полученных результатов и грамотного оформления отчетов.
№ лаб. работы 1. Исследование поверхностной проводимости полупроводников Определение электрофизических характеристик полупроводников и определение ширины запрещенной зоны полупроводников.
7. Электропроводность диэлектриков и диэлектрические потери. Студенты выполняют по выбору преподавателя три лабораторных работы из перечисленных.
3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
1. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. — М.: Высшая школа, 1986.2. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА. — М.: Сов.радио, 1979.
3. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. — М.: Высшая школа, 1984.
4. Штернов А.А. Физические основы конструирования, технологии РЭА и микроэлектроники. — М.: Радио и связь,1981.
5. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников. — М.: Сов.радио,1967.
6. Новиков В.В. Теоретические основы микроэлектроники. — М.: Высшая школа, 1972.
7. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. — М.:
Энергия, 1978.
8. Гусева М.Б., Дубинина Е.М. Физические основы твердотельной электроники. — М.: МГУ, 1986.
9. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. — М.:
Сов. радио, 1970.
10. Медведев С.А. Введение в технологию полупроводниковых материалов. М.:
Высшая школа. 1970. 540 с.
11. Тарасов Л.В. Физические основы квантовой электроники. — М.: Сов. радио, 1976.
1. Методическое пособие по курсу "Физические основы конструирования, технологии и микроэлектроники” для студентов – заочников специальности “Конструирование и производство радиоаппаратуры”. — Мн.: ротапринт МРТИ, 1986.
2. Методические указания по курсу "Физико-химические основы микроэлектроники и технологии РЭС и ЭВС". — Мн.: ротапринт МРТИ, 1994.
3. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Физико-химические основы микроэлектроники, конструирования и технологии РЭС, РЭА и ЭВС" ч. 2. — Мн.: ротапринт МРТИ, 1991.
4. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Физико-химические основы микроэлектроники, конструирования и технологии РЭС и ЭВС" ч. 4. — Мн.: ротапринт БГУИР, 1996.
5. Методическое пособие к лабораторным работам по курсу "Физико-химические основы микроэлектроники, конструирования и технологии РЭС и ЭВС". — Мн.: ротапринт БГУИР, 1997.
6. Методическое пособие для самостоятельной работы студентов по курсу "Физикохимические основы микроэлектроники, конструирования и технологии РЭС и ЭВС". Раздел "Контактные явления". — Мн.: ротапринт БГУИР, 1998.
7. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности "Проектирование и производство РЭС" заочной формы обучения в 2-х частях. Часть 1. — Мн.:
ротапринт БГУИР, 2000.
8. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности "Проектирование и производство РЭС" заочной формы обучения в 2-х частях. Часть 2. — Мн.:
ротапринт БГУИР, 2000.
9. Методическое пособие для самостоятельной работы студентов по курсу "Физикохимические основы микроэлектроники, конструирования и технологии РЭС и ЭВС". Раздел "Электрофизичкские характеристики полупроводников и металлов. Гальваномагнитные эффекты". — Мн.: ротапринт БГУИР, 1998.
3.4. Перечень наглядных пособий и материалов к техническим средствам обучения 1. Макеты кристаллических решеток.
2. Стенды, программы ЭВМ для автоматизации расчетов на лабораторных занятиях.
4. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ
Номер недели Структура материалов электронной техники. Кристаллические твердые тела. ОсноОтчёт по вы кристаллографии. Агрегатные состояния вещества. Основные свойства кристаллических веществ. Симметрия в твердых телах. Виды симметрии. Сингонии. Кристаллические 2.1 0,4 5 решетки. Решетки Браве. Основные виды решеток, характеристики. Обозначение узлов и направлений в кристаллах. Индексы Миллера Аморфные вещества и жидкие кристаллы. Определение и основные свойства аморфных веществ. Процессы стеклования. Классификация и свойства ЖК. Методы получения 2 Дефекты структуры. Дефекты структуры кристаллов, их классификации. Точечные дефекты (по Шоттки, по Френкелю, примесные) и их влияние на физические свойства свойства материалов. Линейные, объемные, поверхностные дефекты и их влияние на физические свойства материал Рост кристаллов. Процессы роста кристаллов. Методы и технологии выращивания кристаллов: одно- и двухтемпературные методы (вертикальный и горизонтальный), метод 3,4, Чохральского, химических транспортных реакций, выращивание монокристаллов из расплава-раствора, метод бестигельной зонной плавки.Основы квантовой механики. Описание частицы волновым пакетом. Фазовая и групповая скорости. Соотношение Гейзенберга. Дифракция электронов. Физический смысл волны де-Бройля. Понятие волновой функции электрона. Принцип суперпозиции состояния.
Уравнение Шредингера. Стационарное (амплитудное) уравнение Шредингера. Решение потенциальный барьер. Туннельный эффект. Движение частицы в потенциальной яме.
Линейный гармонический осциллятор. Водородоподобный атом. Минимальная энергия атома водорода. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Число состояний и порядок заполнения квантовых состояний.
Номер недели Виды химических связей. Образование ионной связи. Свойства ионных кристаллов.
Образование и свойства ковалентной связи. Особенности химической связи в полупроводниках. Образование металлической связи. Свойства металлов. Молекулярная связь.
Зонная теория твердых тел. Модель сильной связи. Модель слабой связи (модель периодического потенциала). Функции Блоха. Дисперсионная зависимость Е(к). Зоны Бриллюэна. Причины образования запрещенных зон в энергетическом спектре кристалла.
диэлектрики в свете зонной теории. Эффективная масса электрона. Понятие дырки. Собственные и примесные полупроводники. Положение примесных уровней в полупроводниках.
Статистика носителей зарядов в полупроводниках и металлах. Статистика носителей зарядов в твердых телах. Функции распределения Максвелла-Больцмана, Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Распределение Ферми-Дирака для металлов. Плотность заполнения уровней в полупроводниках. Определение концентрации носителей в полупроводниках.
никах. Положение уровня Ферми и концентрация носителей заряда в примесных полупроводниках. Вырожденные полупроводники. Компенсированные полупроводники. Концентрация носителей в металлах.
Тепловые свойства твердых тел. Нормальные колебания атомов в кристалле. ДисперсиОтчёт по лабораонные зависимости для акустических и оптических колебаний. Спектр нормальных колеторной работе баний решетки. Тепловые колебания с квантовой точки зрения. Фононы. Теплоемкость кристаллической решетки. Законы Дюлонга-Пти и Дебая. Характеристическая температура Дебая. Теплоемкость электронного газа. Тепловое расширение твердых тел. Теплопро- 2. водность решетки, ее зависимость от температуры. Теплопроводность электронного газа.
Номер недели Электропроводность твердых тел. Равновесное состояние электронного газа в проводнике. Процессы рассеяния. Удельная электропроводность для вырожденного и невырожденного электронного газа. Подвижность свободных носителей. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры для вырожденного и невырожденного газов. Элек- 2.6 тропроводность металлов и сплавов. Электропроводность собственных и примесных полупроводников. Закон Видемана-Франца.
лах. Эффект Холла в собственном полупроводнике. Эффект магнетосопротивления. Эффект Эттингсгаузена в случаях собственного и примесного полупроводников.
Перенос заряда в полупроводниках. Процессы генерации и рекомбинации носителей ции. Соотношение Эйнштейна. Уравнение непрерывности. Диффузионная длина. Время жизни неравновесных носителей.
Электропроводность в сильных полях. Критерий сильного поля. Разогрев электронного газа. Закон Джоуля-Ленца. Зависимость подвижности от напряженности поля. Влияние поля на концентрацию носителей. Термоэлектронная ионизация Френкеля, ударная и электростатическая ионизация. Эффект Ганна.
моэлектронная эмиссия. Контакт металл-металл. Контактная разность потенциалов. Выпрямление на контакте металл-металл. Выпрямляющие и невыпрямляющие контакты металла с полупроводниками n- и р-типов проводимости. Энергетические диаграммы.
состояние электронно-дырочного перехода. Энергетическая диаграмма контакта. Выпрямляющие свойства р-п-перехода. Энергетические диаграммы. ВАХ р-п-перехода.
Омический контакт двух полупроводников. Гетеропереходы.
Номер недели Поверхностные свойства полупроводников. Поверхностные состояния в полупроводной работе никах. Быстрые и медленные состояния. Поверхностный слой объемного заряда для случаев образования обогащенных и обедненных слоев. Зонные диаграммы для р- и п-типов верхностная рекомбинация. Скорость поверхностной рекомбинации. Эффект поля. Влияние поверхностного потенциала на поверхностную проводимость.
Оптические свойства твердых тел. Взаимодействие света с кристаллической средой.
Закон Бугера-Ламберта. Оптические свойства металлов. Механизмы поглощения света в полупроводниках. Фотопроводимость. Зависимость коэффициента поглощения света от мозонных полупроводниках. Экситонное и примесное поглощение света в полупроводниках. Зависимость =f(Еф) для этих механизмов. Механизмы поглощения света свободными носителями заряда и на оптических колебаниях решетки. Эффект Франца-Келдыша.
Физические процессы в диэлектриках. Основные электрические характеристики. Меной работе ханизмы поляризации диэлектриков. Электропроводность диэлектриков. Зависимость 14, диэлектрической проницаемости от частоты переменного поля. Диэлектрические потери Магнитные свойства твердых тел. Основные магнитные характеристики материалов.
Магнитные свойства атомов. Классификация магнитных материалов. Природа диа- и парамагнетизма. Ферро- и антиферромагнетизм. Механизмы намагничивания магнетиков их перемагничивании. Магнитострикция. Ферримагнитизм. Цилиндрические магнитные домены. Эффект Фарадея.
Тонкие пленки в МЭ. Классификация, образование и структура тонких пленок. Процесной работе сы нанесения пленок на подложку из жидкой и твердой фазы. Эпитаксиальные процессы.
Механизмы роста на ориентирующих и на неориентирующих подложках. Физические Номер недели Деформация и напряжения в твердых телах. Упругая и пластическая деформации кристаллов. Дислокационный механизм пластической деформации кристаллов. Деформация 17 поликристаллов. Механизм и кинетика процессов механического разрушения твердых 17 Сверхпроводимость материалов. Основные закономерности изменения физических свойств материалов при переходе в сверхпроводящее состояние. Теория Бардина-КупераШиффера (БКШ). Сверхпроводники первого и второго рода. Эффекты Джозефсона. Новые сверхпроводящие материалы.
«