[ Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
компьютерного проектирования
_ Осипов А.Н.
"_" _ 2003 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ПО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ ОСНОВАМ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ФАКУЛЬТЕТА
КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
"МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ" 39.02. и"ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ" 39.02.КАФЕДРА ХИМИИ
КУРС СЕМЕСТР ЛЕКЦИИ 51 ЧАС ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ, спец. 390201 17 ЧАСОВ спец. 390202 34 ЧАСА ВСЕГО: спец. 390201 68 ЧАСОВ спец. 390202 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:
• физические основы микроэлектроники “ФОМ”;
• 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 и лабораторные занятия.Семестр 2.1. Наименование тем, их содержание, объём в часах лекционных занятий.
НАИМЕНОВАНИЕ
ТЕМЫ Структура материалов электронной Кристаллические веществ. Симметрия в твердых телах. Виды симметрии. Сингонии. Критвердые тела. Осносталлические решетки. Решетки Браве. Основные виды решеток, хараквы кристаллогратеристики. Обозначение узлов и направлений в кристаллах. Индексы Аморфные вещестОпределение и основные свойства аморфных веществ. Процессы стеква и жидкие кри- лования. Классификация и свойства ЖК. Методы получения жидких Дефекты структуры свойства материалов. Дислокации. Виды дислокаций, образование и их влияние на физические свойства материалов. Линейные, объемные, поверхностные дефекты и их влияние на физические свойства материалов.Процессы роста кристаллов. Методы и технологии выращивания кристаллов: одно- и двухтемпературные методы (вертикальный и горизонтальный), метод обменных реакций, Методы выращивания монокриРост кристаллов сталлов: Бриджмена-Стокбаргера, Чохральского, химических транспортных реакций, выращивание монокристаллов из расплава-раствора, волны де-Бройля. Понятие волновой функции электрона. Принцип суперпозиции состояния. Уравнение Шредингера. Стационарное (амплитудное) уравнение Шредингера. Решение уравнения Шредингера. ТреОсновы квантовой бование к волновой функции. Прохождение частицы через потенциальмеханики.
Виды химических свойства ковалентной связи. Особенности химической связи в полупросвязей. водниках. Образование металлической связи. Свойства металлов. Молекулярная связь. Способ образования и свойства.
Зонная теория твер- спектре кристалла. Число уровней в разрешенных зонах. Приведенные дых тел. зоны. Металлы, полупроводники и диэлектрики в свете зонной теории.
Эффективная масса электрона. Понятие дырки. Собственные и примесные полупроводники. Положение примесных уровней в полупроводниках.
НАИМЕНОВАНИЕ
ТЕМЫСОДЕРЖАНИЕ ТЕМЫ
Максвелла-Больцмана, Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Распределение Статистика носите- Ферми-Дирака для металлов. Плотность заполнения уровней в полупроводниках. Определение концентрации носителей в полупроводниках.лей зарядов в полуПоложение уровня Ферми и концентрация носителей заряда в собственпроводниках и меных полупроводниках. Положение уровня Ферми и концентрация носиталлах. телей заряда в примесных полупроводниках. Вырожденные полупроводники. Компенсированные полупроводники. Концентрация носителей Нормальные колебания атомов в кристалле. Дисперсионные зависимости для акустических и оптических колебаний. Спектр нормальных колебаний решетки. Тепловые колебания с квантовой точки зрения. ФоноТепловые свойства ны. Теплоемкость кристаллической решетки. Законы Дюлонга-Пти и твердых тел. Дебая. Характеристическая температура Дебая. Теплоемкость электронного газа. Тепловое расширение твердых тел. Теплопроводность решетки, ее зависимость от температуры. Теплопроводность электронного Равновесное состояние электронного газа в проводнике. Процессы рассеяния. Удельная электропроводность для вырожденного и невырожденного электронного газа. Подвижность свободных носителей. ЗависиЭлектропроводмость подвижности носителей заряда от температуры для вырожденного ность твердых тел.
Эффект Холла в примесных полупроводниках и металлах. Эффект ХолГальваномагнитные ла в собственном полупроводнике. Эффект магнетосопротивления. Эфэффекты. фект Эттингсгаузена в случаях собственного и примесного полупроводников.
полупроводниках.
Электропровод- Критерий сильного поля. Разогрев электронного газа. Закон ДжоуляЛенца. Зависимость подвижности от напряженности поля. Влияние поля полях. ударная и электростатическая ионизация. Эффект Ганна.
Выпрямление на контакте металл-металл. Выпрямляющие и невыпрямляющие контакты металла с полупроводниками n- и р-типов проводимоКонтактные явлести. Энергетические диаграммы. ВАХ барьера Шоттки. Электроннония в МЭ дырочный переход. Классификация. Равновесное состояние электроннодырочного перехода. Энергетическая диаграмма контакта. Выпрямляющие свойства р-п-перехода. Энергетические диаграммы. ВАХ р-пперехода. Омический контакт двух полупроводников. Гетеропереходы.
состояния. Поверхностный слой объемного заряда для случаев образоПоверхностные свойства полупро- п-типов полупроводников при образовании обогащенных, обедненных и инверсных слоев. Поверхностная рекомбинация. Скорость поверхностводников.
НАИМЕНОВАНИЕ
ТЕМЫСОДЕРЖАНИЕ ТЕМЫ
Взаимодействие света с кристаллической средой. Закон БугераЛамберта. Оптические свойства металлов. Механизмы поглощения света в полупроводниках. Фотопроводимость. Зависимость коэффициента поглощения света от энергии фотонов падающего света Еф. СобственОптические свойстное поглощение в прямозонных и непрямозонных 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.
Основные электрические характеристики. Механизмы поляризации диэлектриков. Электропроводность диэлектриков. Зависимость диэлектриФизические процесческой проницаемости от частоты переменного поля. Диэлектрические сы в диэлектриках.
потери и механизмы диэлектрических потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь. Мощность диэлектрических потерь.
Основные магнитные характеристики материалов. Магнитные свойства атомов. Классификация магнитных материалов. Природа диа- и парамагнетизма. Ферро- и антиферромагнетизм. Механизмы намагничивания Магнитные свойстмагнетиков в постоянном и переменных полях. Механизмы рассеяния энергии в ферромагнетиках при их перемагничивании. Магнитострикция. Ферримагнитизм. Цилиндрические магнитные домены. Эффект Классификация, образование и структура тонких пленок. Процессы нанесения пленок на подложку из жидкой и твердой фазы. ЭпитаксиальТонкие пленки в рующих подложках. Физические свойства тонких пленок. Электропроводность тонких пленок.
Деформация и на- Упругая и пластическая деформации кристаллов. Дислокационный механизм пластической деформации кристаллов. Деформация поликрипряжения в твердых Сверхпроводимость при переходе в сверхпроводящее состояние. Теория Бардина-Купераматериалов Шриффера (БКШ). Сверхпроводники первого и второго рода. Эффекты 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. Изучение фотоэлектрических явлений в полупроводниках и определение ширины запрещённой зоны В соответствии с планом, студенты специальности 390201 выполняют четыре лабораторных работы из перечисленных по выбору преподавателя, а именно №№ 1, 5, 6, 7, 8; а специальности 390202 — восемь работ по выбору преподавателя.
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. Тиаров Ю.М., Цветков В.Ф. Технология полупроводниковых диэлектрических материалов.
С.-Петербург: Изд. Лань, 2002.
8. Айвазов А.А. Неупорядоченные полупроводники: Учебное пособие, М.: Высшая школа.
1995.
9. Летюк Л.М. Технология производства материалов магнитоэлектроники: Учебник для вузов, М.: Металлургия, 1994.
10. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. — М.: Энергия, 1978.
11. Гусева М.Б., Дубинина Е.М. Физические основы твердотельной электроники. — М.: МГУ, 1986.
12. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. — М.: Сов. радио, 1970.
13. Тарасов Л.В. Физические основы квантовой электроники. — М.: Сов. радио, 1976.
14. Медведев С.А. Введение в технологию полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа. 1970. 540 с.
15. Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология материалов электронной техники.
Теория процессов полупроводниковой технологии: Учебник для вузов, М.: Московский институт стали и сплавов (МИСИС). 1995.
16. Зайцев Ю.В., Кузищина Т.К., Кустов Д.Е. Расчет физико-химических характеристик элементов проводников: Методическое пособие. М.: Изд-во МЭИ. 2001.
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 1. Макеты кристаллических решеток.
2. Стенды, программы ЭВМ для обработки результатов экспериментов к лабораторным работам:
а) изучение контактных явлений;
б) определение электрофизических характеристик полупроводников из измерений эффекта Холла;
в) спектры поглощения и определение ширины запрещенной зоны полупроводников;
г) изучение структуры кристаллов.
4. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ДИСЦИПЛИНЫ
Номер недели Структура материалов электронной техники. Кристаллиной работе нии. Кристаллические решетки. Решетки Браве. Основные виды решеток, характеристики. Обозначение узлов и направлений в кристаллах. Индексы Миллера Аморфные вещества и жидкие кристаллы. Определение и кристаллов. Электрооптические эффекты жидких кристаллов Дефекты структуры. Дефекты структуры кристаллов, их классификации. Точечные дефекты (по Шоттки, по Френкелю, примесные) и их влияние на физические свойства материалов.физические свойства материалов. Линейные, объемные, поверхностные дефекты и их влияние на физические свойства Рост кристаллов. Процессы роста кристаллов. Методы и технологии выращивания кристаллов: одно- и двухтемпературные методы (вертикальный и горизонтальный), метод обменных 3,4, Стокбаргера, Чохральского, химических транспортных реакций, выращивание монокристаллов из расплава-раствора, метод бестигельной зонной плавки.
Номер недели пакетом. Фазовая и групповая скорости. Соотношение Гейзенберга. Дифракция электронов. Физический смысл волны деБройля. Понятие волновой функции электрона. Принцип суперпозиции состояния. Уравнение Шредингера. Стационарное Движение частицы в потенциальной яме. Линейный гармонический осциллятор. Водородоподобный атом. Минимальная Образование металлической связи. Свойства металлов. Молекулярная связь. Способ образования и свойства.
спектре кристалла. Число уровней в разрешенных зонах. Приведенные зоны. Металлы, полупроводники и диэлектрики в Номер недели Плотность заполнения уровней в полупроводниках. Определение концентрации носителей в полупроводниках. Положение носителей заряда в примесных полупроводниках. Вырожденные полупроводники. Компенсированные полупроводники.
ноны. Теплоемкость кристаллической решетки. Законы Дюлонга-Пти и Дебая. Характеристическая температура Дебая. Теплоемкость электронного газа. Тепловое расширение твердых тел. Теплопроводность решетки, ее зависимость от температуры. Теплопроводность электронного газа. Зависимость от температуры.
электронного газа в проводнике. Процессы рассеяния. Удельная электропроводность для вырожденного и невырожденного металлов и сплавов. Электропроводность собственных и примесных полупроводников. Закон Видемана-Франца.
Номер недели поля. Разогрев электронного газа. Закон Джоуля-Ленца. Зависимость подвижности от напряженности поля. Влияние поля на Контактные явления в МЭ. Классификация контактных явОтчёт по лабораторлений. Работа выхода. Термоэлектронная эмиссия. Контакт металл-металл. Контактная разность потенциалов. Выпрямленой работе ние на контакте металл-металл. Выпрямляющие и невыпрямляющие контакты металла с полупроводниками n- и р-типов Шоттки. Электронно-дырочный переход. Классификация. Равновесное состояние электронно-дырочного перехода. Энергетическая диаграмма контакта. Выпрямляющие свойства р-пперехода. Энергетические диаграммы. ВАХ р-п-перехода.
Номер недели для р- и п-типов полупроводников при образовании обогащенных, обедненных и инверсных слоев. Поверхностная рекомбинация. Скорость поверхностной рекомбинации. Эффект поля.
Влияние поверхностного потенциала на поверхностную проводимость.
14, ской проницаемости от частоты переменного поля. Диэлектрические потери и механизмы диэлектрических потерь. Тангенс Номер недели ханизмы рассеяния энергии в ферромагнетиках при их перемагничивании. Магнитострикция. Ферримагнитизм. Цилиндрические магнитные домены. Эффект Фарадея.
Деформация и напряжения в твердых телах. Упругая и пластическая деформации кристаллов. Дислокационный механизм пластической деформации кристаллов. Деформация поликристаллов. Механизм и кинетика процессов механического разрушения твердых тел.
«