Утверждена УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики

Утверждена
УМО вузов Республики Беларусь
по образованию в области информатики
и радиоэлектроники
« 03 » июня 2003 г.
Регистрационный № ТД-41-019/тип.
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальности 1-41 01 03 Квантовые информационные системы
Согласована с Учебно-методическим управлением
БГУИР
« 28 » мая 2003 г.
Составители:
Б.С. Колосницын,
профессор кафедры микроэлектроники Учреждения
образования «Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники», кандидат технических наук;
А.В. Короткевич, доцент кафедры микроэлектроники Учреждения
образования «Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники», кандидат технических наук;
В.И. Пачинин, доцент кафедры микроэлектроники Учреждения образования
«Белорусский
государственный
университет
информатики
и
радиоэлектроники», кандидат технических наук
Рецензенты:
Н.А. Цырельчук, ректор Учреждения образования «Минский государственный
высший радиотехнический колледж», кандидат технических наук;
Кафедра интеллектуальных систем Учреждения образования «Белорусский
национальный технический университет» (протокол № 8 от 24.02.2003 г.)
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой микроэлектроники Учреждения образования «Белорусский
государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол
№ 6 от 13.01.2003 г.);
Научно-методическим советом по направлениям 1-36 Оборудование и 1-41
Компоненты оборудования УМО вузов Республики Беларусь по образованию в
области информатики и радиоэлектроники (протокол № 3 от 28.03.2003 г.)
Действует до утверждения Образовательного стандарта по специальности
4
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа «Физика полупроводниковых приборов» разработана
для студентов специальности 1-41 01 03 Квантовые информационные системы.
Целью дисциплины является изучение физических процессов, происходящих в
активных элементах интегральных микросхем (ИС), мощных и
сверхвысокочастотных (СВЧ) полупроводниковых приборах; методик расчета и
схем измерения параметров полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем.
В результате освоения дисциплины «Физика полупроводниковых
приборов» студент должен:
знать:
- статические, дифференциальные, динамические и шумовые параметры
активных элементов ИС;
- электрические, тепловые и частотные характеристики мощных и СВЧполупроводниковых приборов;
- методы и схемы измерений параметров полупроводниковых приборов;
- методики расчета дискретных активных структур и элементов интегральных
микросхем;
уметь характеризовать:
- причины, приводящие к изменению электрических параметров активных
элементов ИС при изменении внешних условий;
- влияние топологии и технологического процесса изготовления на
параметры активных элементов ИС;
- показатели надежности интегральных микросхем;
уметь анализировать:
- процессы, происходящие в различных областях активных элементов ИС;
- физические явления в активных элементах ИС, связанные с двухмерностью
процесса протекания тока;
- причины отказов интегральных микросхем;
приобрести навыки:
- расчета параметров активных элементов ИС, мощных и СВЧполупроводниковых приборов;
- расчета топологии полупроводниковых приборов и элементов интегральных
микросхем;
- измерения характеристик и параметров полупроводниковых приборов и ИС.
Программа рассчитана на объем 270 учебных часов. Примерное
распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 150 часов,
лабораторных работ – 70 часов, практических занятий – 50 часов, курсовая
работа.
5
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Часть 1. ФИЗИКА АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Раздел 1. ФИЗИКА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА
Тема 1.1. ВВЕДЕНИЕ
Тема 1.2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ Р – N - ПЕРЕХОД
Резкий и плавный р-n-переход. Высота потенциального барьера. Расчет
контактной разности потенциалов. Зависимость qφk от Т и N.
Тема 1.3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ P-N - ПЕРЕХОДА
Расчет напряженности электрического поля, диффузионного потенциала
резкого несимметричного и плавного симметричного р-n-переходов. Вывод
общего выражения для барьерной емкости р-n-переходов. Вывод общего
выражения для барьерной емкости р-n-перехода. Использование С-Vхарактеристик для оценки распределения примесей и определения величины
контактной разности потенциалов.
Тема 1.4. ПРЯМОЕ И ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ P-N-ПЕРЕХОДА
Зависимости токов инжекции и экстракции от T, Nd и Na, qφk. Полная
вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода (идеального диода).
Тема 1.5 ГРАНИЧНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ НА БАЗЕ
ДИОДА
Распределение концентрации неосновных носителей в базе. Случай
тонкой и толстой базы.
Тема 1.6. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ВАХ Р-N-ПЕРЕХОДА (ДИОДА)
Общие выражения, случай тонкой и толстой баз.
Тема 1.7. ГЕНЕРАЦИЯ И РЕКОМБИНАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
В P-N-ПЕРЕХОДЕ
Физика явления. Расчет величин токов генерации и рекомбинации.
Тема 1.8. ТУННЕЛЬНЫЙ И ЛАВИННЫЙ ПРОБОЙ Р-N-ПЕРЕХОДА
Физика явления напряженности
коэффициент напряжения пробоя.
полей
пробоя,
температурный
Тема 1.9. ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ P-N-ПЕРЕХОДА
Особенности
теплового
пробоя
«токовые
шнуры».
Влияние
поверхностных состояний на вольт-амперные характеристики р-n-перехода
(канал поверхностной электропроводности, поверхностный пробой).
Тема 1.10. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В P-N-ПЕРЕХОДЕ
Высокий и малый уровень инжекции, режимы генераторов напряжения и
6
тока. Временные диаграммы токов и напряжений при переключении.
Раздел 2. КОНТАКТЫ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
Тема 2.1. КОНТАКТ ШОТТКИ
Барьер Шоттки. Энергетические и зонные диаграммы Шоттки.
Тема 2.2. ОМИЧЕСКИЙ КОНТАКТ
Требования, параметры, энергетические зонные диаграммы.
Раздел 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Тема 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Схема включения, режимы работы, энергетические зонные диаграммы.
Тема 3.2. КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕДАЧИ
Коэффициент передачи постоянного тока эмиттера идеализированной
модели транзистора, коэффициент передачи переменного тока эмиттера.
Коэффициент усиления постоянного тока базы.
Тема 3.3. МОДЕЛЬ ЭБЕРСА-МОЛЛА
Принцип построения модели. Аналитические выражения для токов
коллектора и базы в модели Эберса-Молла.
Тема 3.4. ОТКЛОНЕНИЯ ОТ МОДЕЛИ ЭБЕРСА-МОЛЛА В РЕАЛЬНОМ
ТРАНЗИСТОРЕ ПО ТОКУ
Поверхностная рекомбинация. Эффект Кирка. Эффект вытеснения тока
эмиттера на край эмиттера.
Тема 3.5. ОТКЛОНЕНИЯ ОТ МОДЕЛИ ЭБЕРСА-МОЛЛА В РЕАЛЬНОМ
ТРАНЗИСТОРЕ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
Эффект Эрли и два его следствия.
Тема 3.6. СТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТРАНЗИСТОРА
Входные и выходные характеристики, построенные по схемам с общей
базой и общим эмиттером. Входные и выходные сопротивления.
Тема 3.7. ПРОБОЙ ТРАНЗИСТОРА
Смыкание эмиттерного и коллекторного переходов. Лавинный пробой
коллекторного p-n-перехода в схемах с общей базой и общим эмиттером.
Вторичный пробой.
Тема 3.8. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРА
Характеристические частоты транзистора (fa, fβ, fT, fmax). Аналитические
выражения для времени пролета носителей через базу.
7
Раздел 4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Тема 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Структура
и
разновидности
полевых
моделирования сопротивления канала транзисторов.
транзисторов,
методы
Тема 4.2. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР С УПРАВЛЯЮЩИМ P-N-ПЕРЕХОДОМ
Принцип действия, статические характеристики, частотные свойства,
физические эквивалентные схемы, пробой транзистора.
Тема 4.3. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СО СТРУКТУРОЙ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИКПОЛУПРОВОДНИК (МДП)
Идеальная МДП-структура. Поверхностные состояния на границе Si-SiO2.
Величина порогового напряжения и пути ее регулирования. Принцип действия
и статические ВАХ МДП-транзисторов, работающих в режимах обогащения и
обеднения. Статические и дифференциальные параметры транзисторов.
Физические эквивалентные схемы и частотные свойства транзисторов.
Механизмы пробоя транзисторов. Разновидности транзисторов. Эффекты
короткого канала и их влияние на параметры транзисторов. Физические основы
конструирования и основные характеристики тонкопленочных полевых
транзисторов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Расчет геометрии и основных параметров p-n-перехода.
2. Расчет вольт-амперных характеристик и параметров полупроводниковых
диодов.
3. Расчет основных электрических параметров биполярных транзисторов.
4. Расчет параметров полевых транзисторов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Исследование физики работы p-n-перехода.
2. Исследование основных электрических параметров биполярных
транзисторов.
3. Исследование основных электрических параметров металл-оксидполупроводник (МОП) транзисторов.
4. Исследование параметров биполярных и МОП-транзисторов, работающих
в микрорежиме.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
1.
2.
8
МОП-транзистор на изолирующей подложке.
Приборы на полупроводниковых сверхрешетках.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. – М.: Мир, 1989.
2.
Ферри Д., Эйкерс Л., Гринич Э. Электроника ультрабольших интегральных
схем. – М.: Мир, 1991.
3. Колосницын Б.С. Элементы интегральных схем. Физические основы. –Мн.:
БГУИР, 2001.
1.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. –М.:
Сов. радио. 1990.
2. Россадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. – М: Высш. шк.,
1991.
3. Ржевкин К.С. Физические принципы действия полупроводниковых
приборов. – М.: МГУ, 1986.
4. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – М: Высш.
шк., 2002.
5. Колосницын Б.С. Физика активных элементов интегральных схем. –Мн.:
БГУИР, 1997.
6. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2 т. – М: Мир, 1984.
Часть 2. МОЩНЫЕ И СВЧ-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Раздел 1. МОЩНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Тема 1.1. СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПРИ ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ
НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Тема 1.2. ЛАВИННЫЙ ПРОБОЙ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ
НАПРЯЖЕНИЯ ПРОБОЯ
Тема 1.3. МОЩНЫЕ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1.3.1. Коэффициент усиления по току.
1.3.2. Вольт-амперные характеристики.
1.3.3. Частотные характеристики и переходные процессы.
Тема 1.4. МОЩНЫЕ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1.4.1. Особенности работы и конструкции мощных полевых транзисторов
с управляющим p-n-переходом.
1.4.2. МОП-транзистор как усилитель мощности и ключевой элемент.
1.4.3. Топология мощных МОП-транзисторов.
9
Раздел 2. СВЧ-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Тема 2.1. ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ВАХ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПАРАМЕТРЫ, ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА
Тема 2.2. ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ВАХ,
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Тема 2.3. ИНЖЕКЦИОННО-ПРОЛЕТНЫЕ ДИОДЫ. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ВАХ,
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Тема 2.4. ДИОДЫ ШОТТКИ
2.4.1. Принцип работы, ВАХ, электрические параметры.
2.4.2. Частотные ограничения. Сравнительный анализ параметров p-nпереходов и выпрямляющих контактов металл-полупроводник.
Раздел 3. МОЩНЫЕ ВЧ- И СВЧ-БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Тема 3.1. СТРУКТУРА И ВЫБОР ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
ОБЛАСТЕЙ ТРАНЗИСТОРА
Тема 3.2. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОЩНЫХ СВЧТРАНЗИСТОРОВ
Тема 3.3. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОЩНЫХ СВЧМОП-ТРАНЗИСТОРОВ
Раздел 4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ЗАТВОРОМ ШОТТКИ (ПТЗШ)
Тема 4.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ВАХ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
И ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ПТЗШ
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Особенности расчета основных параметров p-n-переходов мощных
приборов.
2. Расчет параметров приборов, использующих выпрямляющий контакт
металл-полупроводник.
3. Расчет параметров мощных ВЧ-транзисторов.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Шур М. Физика полупроводниковых приборов. Кн. 1 и 2. – М.: Мир, 1992.
2. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. – Л.:
Энергоиздат, 1986.
10
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Никишин В.И. и др. Проектирование и технология производства мощных
СВЧ-транзисторов. – М.: Радио и связь, 1984.
2. Заваржнов Д.В.и др. Мощные высокочастотные транзисторы. – М.: Радио и
связь, 1985.
Часть 3. ИСПЫТАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Раздел 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ
Тема 1.1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И НАДЕЖНОСТИ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Тема 1.2. ВИДЫ, ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМЫ ОТКАЗОВПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
1.2.1. Краткие сведения о технологии изготовления интегральных
микросхем. Базовые технологические операции. Классификация отказов.
1.2.2. Отказы металлизации.
1.2.3. Отказы контактных соединений.
1.2.4. Отказы в объеме и на плоскости полупроводникового кристалла.
1.2.5. Использование НЧ-шума для прогнозирования отказов
полупроводниковых приборов.
Раздел 2. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Тема 2.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН,
ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР
Тема 2.2. ПООПЕРАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Раздел 3. МЕТОДЫ И СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЙ ОСНОВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Тема 3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОМПОНЕНТОВ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Тема 3.2. МЕТОДЫ И СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ
МИКРОСХЕМ
Тема 3.3. МЕТОДЫ И СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Тема 3.4. МЕТОДЫ И СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ПАРАМЕТРОВ
11
Тема 3.5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ
Тема 3.6. МЕТОДЫ И СХЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛОСИГНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Раздел 4. ИСПЫТАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Тема 4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ
4.1.1.Неразрушающие испытания.
4.1.2.Механические и климатические испытания.
4.1.3.Ускоренные испытания.
Тема 4.2. КОНТРОЛЬ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
Тема 4.3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
ПО ШУМОВЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Методы и схемы измерения ВАХ активных элементов ИС.
2. Методы и схемы измерения параметров физических эквивалентных схем
биполярных и полевых транзисторов.
3. Методы и схемы измерения параметров тепловой эквивалентной схемы
активных элементов ИС.
4. Прогнозирование отказов полупроводниковых барьерных структур с
помощью НЧ-шума.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Горлов М.И., Королев С.Ю. Физические основы надежности интегральных
микросхем: Учеб. пособие - Воронеж : Изд-во Воронеж. ун-та, 1995.
2. Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и ИМС
- М.: Радио и связь, 1988.
3. Достанко О.А. Методы испытания микросхем. – Мн.: МГВРК, 1998.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Емельянов В.А. и др. Аппаратные средства контроля параметров
твердотельных структур в производстве СБИС. – Мн.: БГУИР, 1996.
2. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – СПб., 2001.
12
Часть 4. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Раздел 1. ДИСКРЕТНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Тема 1.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
1.1.1. Порядок проектирования и расчета полупроводникового
выпрямительного диода. Выбор структур, исходных полупроводниковых
материалов. Расчет геометрических размеров, расчет электрических
параметров.
1.1.2. Методика оценки технологических параметров. Особенности
расчета стабилитронов, варикапов, СВЧ-диодов
и диодов Шоттки,
фоточувствительных и излучающих структур.
Тема 1.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1.2.1.
Конструктивные
разновидности
транзисторов.
Влияние
конструктивно-технологического исполнения биполярных транзисторов на их
параметры. Проектирование транзисторных структур с оптимальными
параметрами.
1.2.2. Методика проектирования транзисторов. Выбор структур исходных
полупроводниковых материалов, расчет геометрических размеров, расчет
электрических параметров. Методика оценки технологических параметров.
Раздел 2. ЭЛЕМЕНТЫ БИПОЛЯРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Тема 2.1. АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС,
ИХ КОНСТРУКТИВНО-ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ОТЛИЧИЯ ОТ ДИСКРЕТНЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Тема 2.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ
2.2.1. Конструктивно-технологические отличия от дискретных приборов.
Особенности
их
расчета.
Выбор
структуры
прибора,
сходных
полупроводниковых материалов. Расчет геометрических размеров, расчет
электрических параметров.
2.2.2. Методика оценки технологических параметров. Формирование
интегральных диодных структур на базе интегральных транзисторов. Оценка
их параметров.
Тема 2.3. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Влияние конструктивно-технологического исполнения интегральных
биполярных транзисторов на их параметры. Особенности проектирования
продольных и поперечных транзисторных структур.
13
Тема 2.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР
С ОПТИМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
Методика проектирования транзисторов. Выбор структур, исходных
полупроводниковых материалов, расчет геометрических размеров, расчет
электрических параметров. Методика оценки технологических параметров.
Тема 2.5. ФУНКЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИМС
2.5.1. Формирование структур, выполняющих
несколько функций.
Совмещение пассивных и активных областей транзисторов с резисторами,
активные приборы в качестве нагрузочных элементов, RC-структуры.
2.5.2. Конструкции, методы расчета.
Раздел 3. СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ПОЛЕВЫХ ЭФФЕКТОВ
И ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ
Тема 3.1. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Сравнительные характеристики и параметры. Пороговое напряжение и
порядок его расчета. Вольт-амперные характеристики. Паразитные элементы в
полевых структурах. Ограничения, накладываемые на проектирование полевых
структур. Базовая и альтернативная технологии и параметры структур.
Тема 3.2. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ В ДИСКРЕТНОМ ИСПОЛНЕНИИ
Конструктивно-топологическое
исполнение
дискретных
полевых
транзисторов. Порядок расчета и проектирования дискретных полевых
транзисторов. МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом.
Полевые транзисторы с управляемым p-n-переходом. Области расчета СВЧ- и
мощных полевых транзисторов. Конструирование полевых транзисторов с
барьером Шоттки.
Тема 3.3. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Конструктивно-топологическое исполнение интегральных полевых
транзисторов. Порядок расчета структуры. Паразитные параметры
интегральных структур.
Тема 3.4. ИНВЕРТОРЫ НА БАЗЕ ПОЛЕВЫХ СТРУКТУР С ПАССИВНОЙ
И АКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ
Инверторы с резистивной нагрузкой. Полевые транзисторы в качестве
нагрузки. Конструкция КМОП-инвертора, его параметры. Особенности
проектирования ИМС на основе КМОП-транзисторов.
Раздел 4. КОММУТАЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС
Тема 4.1. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИИ КОММУТАЦИОННЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
4.1.1. Расчет межсоединений, омических контактов и контактных
14
площадок. Выбор и расчет изоляции элементов ИМС, Выбор подложки и
корпуса полупроводниковых приборов и ИМС.
4.1.2. Расчет тепловых режимов подложки и корпуса.
Раздел 5. КОНСТРУКТОРСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
Тема 5.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОСТАВЕ И ИЗГОТОВЛЕНИИ
КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
Требования
документации.
ЕСКД.
Автоматизация
разработки
конструкторской
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Расчет конструкции и топологии полупроводниковых выпрямительных
диодов.
2. Расчет конструкции, топологии и основных параметров варикапов.
3. Расчет конструкции, топологии и основных параметров стабилитронов.
4. Расчет конструкции, топологии и основных параметров СВЧ-диодов.
5. Расчет конструкции, топологии и основных параметров биполярных и
полевых транзисторов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Расчет основных конструктивных и технологических параметров основных
областей биполярного транзистора.
2. Проектирование базовой структуры биполярного транзистора.
3. Исследование взаимосвязи электрофизических и конструктивнотехнологических параметров полевых транзисторов.
4. Проектирование n-канальных полевых транзисторов с индуцированным
каналом и изолированным затвором.
5. Проектирование р-канальных полевых транзисторов со встроенным
каналом и изолированным затвором.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
1. Расчет и разработка конструкции дискретного полупроводникового
прибора (диода, стабилитрона, варикапа, транзистора) по заданным
параметрам.
2. Расчет и разработка конструкции и топологии логического элемента
цифровых ИМС.
3. Расчет и разработка конструкции и топологии аналоговой микросхемы.
15
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Березин А.С., Мочалкина О. Технология и конструирование интегральных
микросхем. – М.: Радио и связь, 1992.
2. Пономарев М.Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА.
– М.: Радио и связь, 1982.
3. Коледов Л.А. Конструирование и технология микросхем. – М.: Высш.шк.,
1984.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Бубенников А.М., Садовников А.Д. Физика и технология проектирования
биполярных элементов Si-БИС. – М.: Радио и связь, 1990.
2. Крутякова М.Г., Юдин М.А. Проектирование и расчет полупроводниковых
приборов. – М.: Радио и связь, 1988.
16
Утверждена
УМО вузов Республики Беларусь
по образованию в области информатики
и радиоэлектроники
« 03 » июня 2003 г.
Регистрационный № ТД-41-020/тип.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальности 1-41 01 03 Квантовые информационные системы
Согласована с Учебно-методическим управлением
БГУИР
« 28 » мая 2003 г.
17
Составители:
В.А. Сокол, заведующий кафедрой микроэлектроники Учреждения
образования «Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники», доктор технических наук;
А.Г. Черных, доцент кафедры микроэлектроники Учреждения образования
«Белорусский
государственный
университет
информатики
и
радиоэлектроники», кандидат технических наук;
Ю.А. Родионов, доцент кафедры микроэлектроники Учреждения образования
«Белорусский
государственный
университет
информатики
и
радиоэлектроники», кандидат технических наук
Рецензенты:
В.А. Пилипенко, профессор кафедры физики полупроводников Учреждения
образования «Белорусский государственный университет», член-корреспондент
Национальной академии наук Беларуси, доктор технических наук;
Научно-производственное отделение микроэлектроники Унитарного
предприятия «НИИ ЭВМ» (протокол № 1 от 20.01 2003 г.)
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой микроэлектроники Учреждения образования «Белорусский
государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол
№ 6 от 13.01.2003 г.);
Научно-методическим советом по направлениям 1-36 Оборудование и 1-41
Компоненты оборудования УМО вузов Республики Беларусь по образованию в
области информатики и радиоэлектроники (протокол № 3 от 28.03.2003 г.)
Действует до утверждения Образовательного стандарта по специальности
18
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа «Технологические процессы микроэлектроники»
разработана для специальности 1-41 01 03 Квантовые информационные
системы высших учебных заведений. Она предусматривает изучение основных
технологических процессов изготовления интегральных схем (ИС), типовых
маршрутов изготовления биполярных, комплементарных металл - окисел проводник
(КМОП), биполярных комплементарных металл - окисел проводник (БиКМОП) и других элементов ИС, методов контроля и анализа
этих элементов, а также изучение технологии изготовления многокристальных
модулей (МКМ).
Интегрированный курс «Технологические процессы микроэлектроники»
включает в себя следующие дисциплины: «Основы кремниевой технологии»,
«Технология изготовления элементов ИС», «Технология многокристальных
модулей».
В
результате
освоения
курса
«Технологические
процессы
микроэлектроники» студент должен:
знать:
 основные физические и химические закономерности, лежащие в основе
конкретного технологического процесса; методики входного контроля
полупроводниковых слитков и пластин с конкретными схемотехническими
решениями; методы кристаллозаготовки; техпроцессы химподготовки и
химобработки кристаллов; способы создания технологических слоев; методы
микролитографии; сухие плазменные процессы создания субмикронного
рисунка;
 общие закономерности проектирования технологических маршрутов
изготовления ИС; взаимосвязь этапов технологических маршрутов
изготовления различных элементов ИС; методы формирования структуры ИС
на биполярных, КМОП-, п-МОП-, БиКМОП-элементах; методы контроля и
анализа элементов ИС в процессе их формирования;
 конструктивно-технологические особенности создания, области применения
и перспективы развития МКМ;
уметь характеризовать:
 качество проведенного техпроцесса, возможность реализации менее энергои материалоемкой технологии;
 уровень технологии изготовления биполярных, КМОП-, п-МОП-, БиКМОПэлементов ИС;
 физические принципы работы, характеристики и параметры МКМ;
уметь анализировать:
 технологию изготовления ИС по технико-экономическим характеристикам
базовых технологических процессов;
 структуру элементов ИС и многокристальных модулей в процессе их
формирования (методами: электронной микроскопии, электрофизическими,
тепловыми, оптическими и др.);
19
приобрести навыки:
 работы на современном технологическом оборудовании и технологического
сопровождения изделия на всех стадиях техпроцесса;
 анализа технологических процессов по результатам контроля параметров
элементов ИС и МКМ на тестовых структурах;
 проектирования технологических маршрутов изготовления ИС на
биполярных, КМОП-, п-МОП-, БиКМОП-элементах.
Программа рассчитана на объем 350 часов, в том числе 250 аудиторных
часов. Примерное распределение аудиторных часов по видам занятий: лекций –
136 часа, лабораторных работ – 98 часов, практических занятий – 16 часов.
Тематический план
№
п.
п.
1
1
2
2.1
2.2
2.3
2.4
3
3.1
3.2
3.3
3.4
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
5
5.1
5.2
20
Наименование раздела, темы
2
Часть 1. Основы кремниевой технологии
Введение. Требования к производству ИС
Кристаллозаготовка
Входной контроль
Абразивная обработка полупроводникового
материала
Химподготовка пластин
Транспортировка
и
межоперационное
хранение полупроводниковых пластин
Базовые методы создания технологических
слоев
Эпитаксиальное
выращивание
полупроводниковых слоев
Получение легированных слоев
Получение диэлектрических слоев
Получение металлических пленок
Микролитография
Фотолитография
Производство фотошаблонов
Электронно-лучевая литография
Рентгеновская литография
Сухое травление технологического слоя
Контроль размеров элементов изображения
Электронно-вакуумная гигиена и техника
безопасности
при
проведении
литографических операций
Ресурсосбережение при проведении базовых
технологических процессов
Основные энергопоказатели термических и
вакуумных процессов
Химподготовка и фотолитография
Лекции,
часов
3
Лаборат.
занятия,
часов
4
Практ.
занятия,
часов
5
Всего
6
2
2
2
2
2
2
6
2
4
10
2
6
4
10
6
6
8
8
8
4
14
14
12
4
4
2
2
4
2
2
4
8
4
2
2
6
2
2
2
2
2
2
2
1
2
5.3 Технологические газы в базовых процессах
создания технологических слоев
5.4 Кристаллозаготовка и обработка подложек
Часть2. Технология изготовления элементов
ИС
1
Введение. Блок технологических процессов
создания изоляции элементов ИС
1.1 Введение
1.2 Процессы изоляции биполярных элементов ИС
1.3 Процессы изоляции МОП - элементов ИС
2
Блок технологических процессов создания
активной структуры элементов ИС
2.1 Структура биполярных элементов ИС
2.2 Структура МОП элементов ИС
3
Блок металлизации элементов ИС
3.1 Многослойная и многоуровневая металлизации
на основе пленок алюминия
3.2 Металлизации элементов ИС на основе пленок
меди
4
Блок сборки и испытаний ИС
4.1 Процессы сборки кристаллов в корпус
4.2 Герметизации кристаллов ИС
4.3 Блок испытаний ИС
5
Методы контроля и анализа элементов ИС
5.1 Экспрессные методы контроля кремниевых
пластин по маршруту изготовления ИС
5.2 Методы анализа структуры элементов ИС
6
Типовые
технологические
маршруты
изготовления кристаллов ИС
6.1 Конструктивно-технологические особенности
создания элементов ИС
6.2 Перспективы
развития
технологии
изготовления элементов ИС
Часть3. Технология многокристальных
модулей
1
Введение. Основные элементы МКМ
1.1 Введение
1.2 Диэлектрические основания МКМ
1.3 Металлические основания МКМ
1.4 Пассивные элементы МКМ
2
Конструктивно-технологические особенности
МКМ
2.1 Многокристальные модули на основе печатных
плат (MKM-L)
2.2 Многокристальные модули на керамических
основаниях (MKM-С)
2.3 Многокристальные модули на основе тонких
пленок (MKM-D)
3
2
Продолжение таблицы
4
5
6
2
2
2
2
2
2
4
4
2
2
2
8
8
2
4
4
4
2
2
8
10
4
4
2
10
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
6
6
2
2
10
2
8
2
12
2
2
2
4
4
2
4
4
4
3
2
6
8
8
3
3
4
7
3
4
7
21
1
2.4
3
3.1
3.2
3.3
2
Многокристальные
модули
на
основе
электрохимического
процесса
окисления
вентильных металлов (МКМ-А)
Сборка и испытания МКМ
Сборка МКМ
Основные
электрофизические
и
конструктивно-технологические
характеристики МКМ
Перспективы
развития
и
применения
различных технологий МКМ
3
5
4
8
2
2
4
Окончание таблицы
5
6
13
2
2
6
2
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Часть 1. ОСНОВЫ КРЕМНИЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ. ТРЕБОВАНИЯ К ПРОИЗВОДСТВУ ИС
Общая характеристика производства микросхем. Основные термины и
понятия. Классификация и общая характеристика микросхем. Техническая
документация на микросхему.
Раздел 2. КРИСТАЛЛОЗАГОТОВКА
Тема 2.1. ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ
Ориентация слитка по кристаллографической плоскости резки.
Определение плотности дислокаций. Контроль удельного сопротивления,
времени жизни неравновесных носителей, диффузионной длины.
Тема 2.2. АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА
Абразивные материалы. Резка слитка на пластины: полотнами,
проволокой, алмазным диском с внешней и внутренней алмазной кромкой.
Шлифовка. Полировка. Химико-механическая полировка. Скрайбирование,
включая лазерное; ультразвуковая резка. Дефектообразование при
механических обработках полупроводниковых материалов. Структура
нарушенного слоя после абразивной обработки. Контроль качества после
этапов абразивной обработки.
Тема 2.3. ХИМИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПЛАСТИН
Общие требования к качеству поверхности полупроводниковых пластин.
Виды поверхностных загрязнений и основные источники загрязнения в
производственных условиях. Химические реактивы для обезжиривания,
полирующего и селективного
травления и отмывки. Обезжиривание.
Травление. Отмывка. Сушка. Контроль качества пластины после этапов
химподготовки. Основные опасности при работе с технологическими
химреактивами и требования правил техники безопасности.
22
Тема 2.4. ТРАНСПОРТИРОВКА И МЕЖОПЕРАЦИОННОЕ ХРАНЕНИЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
Межоперационные сроки хранения. Освежение пластин после
длительного хранения. Тара и оснастка для хранения и транспортировки
пластин и химреактивов: материалы, оптимальные формы и конструкции.
Раздел 3. БАЗОВЫЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
СЛОЕВ
Тема 3.1. ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ ВЫРАЩИВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ
Терминология, основы процесса эпитаксии. Газофазная эпитаксия
кремния хлоридным и силановым методом: реактивы, типы реакторов,
химические реакции, технологический маршрут, режимы, дефекты слоев,
автоэпитаксия, контрольные точки. Локальная эпитаксия. Гетероэпитаксия.
Молекулярно-лучевая эпитаксия. Контрольные точки. Основные правила
техники безопасности.
Тема 3.2. ПОЛУЧЕНИЕ ЛЕГИРОВАННЫХ СЛОЕВ
3.2.1. Высокотемпературная диффузия.
Элементы теории высокотемпературной диффузии: механизмы диффузии
в твердом теле, коэффициент диффузии и его температурные зависимости, erfраспределение, уравнения Фика. Особенности диффузии в планарной
технологии. Способы проведения диффузии: в замкнутом объеме, в потоке
газа-носителя, из жидкого, твердого и планарного источника, диффузия в
вакууме. Дефекты и контроль параметров диффузионных слоев. Основные
правила техники безопасности.
3.2.2. Ионное легирование.
Элементы теории ионного легирования: внедрение примеси в твердое
тело электрическим полем, длина свободного пробега, эффект каналирования,
радиационные дефекты, распределение концентрации легирующей примеси.
Базовая структура установки ионного легирования. Типы ионных источников,
масс-сепаратор, ускоритель, сканирующее устройство, приемная камера,
основные контрольные устройства ионного пучка. Отжиг радиационных
дефектов: высокотемпературный, ламповый, лазерный. Контроль параметров
ионно-легированных слоев. Основные правила техники безопасности при
работе с высоковольтной аппаратурой в условиях мощных излучений.
Тема 3.3. ПОЛУЧЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЕВ
3.3.1. Высокотемпературное окисление кремния.
Модель и кинетика окисления кремния. Окисление в сухом кислороде.
Окисление во влажном кислороде. Окисление в цикле сухой-влажный-сухой
кислород. Предокислительная обработка пластин в хлорсодержащих средах.
Основные дефекты и контроль качества окисного слоя.
3.3.2. Низкотемпературные и плазмохимические окислы кремния.
23
Основные газохимические реакции. Аппаратура и технологические
режимы.
3.3.3. Анодные окислы кремния.
Основные электрохимические реакции. Аппаратура и технологические
режимы.
3.3.4. Легированные окислы, боро- и фосфоросиликатные стекла.
3.3.5. Плазменное окисление.
3.3.6. Окисление под давлением.
3.3.7. Получение пленок нитрида кремния.
Тема 3.4. ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
3.4.1. Метод термовакуумного напыления.
3.4.2. Распыление ионной бомбардировкой.
Раздел 4. МИКРОЛИТОГРАФИЯ
Тема 4.1. ФОТОЛИТОГРАФИЯ
4.1.1. Общая структура процесса контактной фотолитографии.
Позитивные
и негативные
фоторезисты.
Подготовка
поверхности
технологического слоя: кремний, диоксид кремния, металл, фосфоросиликатное
стекло. Контроль качества подготовки поверхности.
4.1.2. Нанесение фоторезиста на технологический слой. Сушка
фоторезиста. Экспонирование, совмещение рисунка, экспонирование,
проявление, задубливание.
4.1.3. Травление технологического слоя.
Химическое жидкостное травление. Травление диоксида кремния,
нитрида кремния, металлов.
4.1.4. Жидкостное и плазмохимическое удаление фоторезиста.
4.1.5. Взрывная фотолитография.
4.1.6. Фотолитография на микрозазоре.
4.1.7. Проекционная фотолитография.
4.1.8. Ограничения фотолитографии по разрешающей способности.
Тема 4.2. ПРОИЗВОДСТВО ФОТОШАБЛОНОВ
4.2.1. Основные термины и понятия. Генерация изображения. Маршруты
изготовления фотошаблонов. Мультипликация. Рабочие копии. Защита
фотошаблонов.
4.2.2. Цветные фотошаблоны.
4.2.3. Контроль параметров фотошаблонов. Основные виды дефектов и их
определение. Ретушь и корректировка фотошаблонов.
Тема 4.3. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ
Тема 4.4. РЕНТГЕНОВСКАЯ ЛИТОГРАФИЯ
Тема 4.5. “CУХОЕ” ТРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СЛОЯ
24
Тема 4.6. КОНТРОЛЬ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Тема 4.7. ЭЛЕКТРОННО-ВАКУУМНАЯ ГИГИЕНА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ
Раздел 5. РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ БАЗОВЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Тема 5. 1. ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГОПОКАЗАТЕЛИ ТЕРМИЧЕСКИХ
И ВАКУУМНЫХ ПРОЦЕССОВ
Потребляемые мощности установок и отдельных узлов вакуумнотермического оборудования. Пути снижения энергопотребления
при
проведении термических и вакуумных процессов.
Тема 5.2. ХИМПОДГОТОВКА И ФОТОЛИТОГРАФИЯ
Усредненные нормы расхода химреактивов на единицу продукции.
Основные пути снижения расхода химреактивов.
Тема 5.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ГАЗЫ В БАЗОВЫХ ПРОЦЕССАХ СОЗДАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СЛОЕВ
Обоснование норм расхода технологических газов при проведении
окисления, термодиффузии и эпитаксии. Основные возможности снижения
расхода технологических газов.
Тема 5.4. КРИСТАЛЛОЗАГОТОВКА И ОБРАБОТКА ПОДЛОЖЕК
Топология как объект снижения материалоемкости. Пути снижения
отходов кремния при механической обработке кристаллов.
Часть 2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ. БЛОК ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СОЗДАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Тема 1.1. ВВЕДЕНИЕ
Общие закономерности проектирования технологических маршрутов
изготовления ИС. Взаимосвязь этапов технологического процесса.
Себестоимость
технологических
процессов.
Блочный
характер
технологического маршрута изготовления ИС (блоки: изоляции, активной
структуры, металлизации, сборки, испытаний).
Тема 1.2. ПРОЦЕССЫ ИЗОЛЯЦИИ БИПОЛЯРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Особенности формирования «скрытых слоёв». Электрические методы
изоляции, основные этапы формирования элементов. Методы полной
диэлектрической изоляции, этапы формирования. Комбинированные методы
изоляции. Метод локального окисления. Дефекты структуры элементов ИС,
25
пути их устранения. «Щелевая изоляция» элементов ИС. Преимущества,
недостатки и применение методов в конкретных изделиях.
Тема 1.3. ПРОЦЕССЫ ИЗОЛЯЦИИ МОП-ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Изоляция «охранными кольцами». КНД, КНИ, КНС - основные
структуры полной диэлектрической изоляции. Этапы формирования элементов.
Причины, сдерживающие широкое применение методов. Методы локального
окисления LOKOS, LOPOS. Этапы формирования.
Раздел 2. БЛОК ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СОЗДАНИЯ
АКТИВНОЙ СТРУКТУРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Тема 2.1. СТРУКТУРА БИПОЛЯРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИС
«Пристеночные»
методы
формирования
элементов.
Методы
самосовмещения и самоформирования транзисторных структур ИС, способы
реализации. Формирование супертонких базовых и эмиттерных слоев.
Технологические процессы реализации различных схемотехнических
элементов. Особенности создания транзисторной структуры с диодом Шоттки.
Тема 2.2. СТРУКТУРА МОП - ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Технологические процессы производства n-МОП ИС. Этапы
формирования элементов. Особенности проведения технологических процессов
подзатворного окисления и нанесения материала затвора при формировании nМОП-структур. ИС на КМОП-структурах. Основные этапы формирования.
Методы создания n-, p-карманов. Технологический процесс с двумя
«карманами». Тиристорный эффект (защелкивание) в КМОП-структурах.
Конструкторско-технологические методы управления пороговым напряжением
в КМОП-транзисторах. Низкопороговые КМОП ИС.
Раздел 3. БЛОК МЕТАЛЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Тема 3.1. ОДНОСЛОЙНАЯ, МНОГОСЛОЙНАЯ И МНОГОУРОВНЕВАЯ
МЕТАЛЛИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК АЛЮМИНИЯ
3.1.1. Роль и проблемы металлизации элементов ИС. Алюминиевая
однослойная металлизация. Методы формирования, свойства, преимущества и
недостатки алюминиевой металлизации.
3.1.2. Пленки поликристаллического кремния (ППК). Методы получения,
свойства и сфера применения ППК.
3.1.3.
Металлизация
тугоплавкими
металлами.
Особенности
многоуровневой металлизации. Силициды металлов для затворов и
межкомпонентных соединений в МОП ИС. Отказы, вызванные металлизацией.
Методы планаризации кристаллов. Тенденция развития металлизации.
26
Тема 3.2. МЕТАЛЛИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИС НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК МЕДИ
Конструктивно-технологические особенности создания межсоединений
ИС на основе пленок меди. Методы получения пленок меди. Селективный
метод осаждения пленок меди.
Раздел 4. БЛОК СБОРКИ И ИСПЫТАНИЙ ИС
Тема 4.1. ПРОЦЕССЫ СБОРКИ КРИСТАЛЛОВ В КОРПУС
4.1.1.Основные этапы блока сборки кристаллов ИС. Разделение пластины
на кристаллы: скрайбирование, сортировка, контроль. Монтаж кристаллов
эвтектикой и компаундным клеем.
4.1.2.Способы
соединений
проволокой:
термокомпрессия
и
ультразвуковая сварка. Металлургическое взаимодействие золота с алюминием.
Автоматизированное соединение на ленточных носителях. Технологический
процесс сборки методом перевернутого кристалла.
Тема 4.2. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ КРИСТАЛЛОВ ИС
4.2.1.Типы корпусов и технология их производства. Керамические
корпуса. Корпуса на основе тугоплавкой керамики и герметизации стеклом.
Производство прессованных пластмассовых корпусов.
4.2.2.Герметизация. Бескорпусная герметизация. Защита корпуса от частиц. Вопросы, связанные с применением корпусов: тепловые
характеристики герметизированных приборов, соединение корпусов печатным
монтажом.
Тема 4.3. БЛОК ИСПЫТАНИЙ ИС
Классификация испытаний микросхем. Электрические параметры и
методы их измерения. Климатические испытания. Механические испытания.
Радиационные испытания. Методы испытаний микросхем на надежность и
сохранность. Методы прогнозирования надежности микросхем по результатам
измерений и испытаний.
Раздел 5. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Тема 5.1. ЭКСПРЕССНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН ПО
МАРШРУТУ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИС
Контрольные точки в технологическом маршруте изготовления
биполярных и МОП-элементов ИС. Методы пооперационного контроля
кремниевых пластин. Тестовые структуры (ТС) как инструмент оценки
качества ИС. Методы проверки ТС на пластине.
Тема 5.2 МЕТОДЫ АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Электрофизические и тепловые методы анализа элементов ИС.
Оптические
методы
анализа
полупроводниковых
структур:
интерференционный, спектральный, микроскопический, поляризованный.
Методы растровой электронной микроскопии: методы отраженных электронов,
27
вторичной электронной эмиссии, ОЖЕ-спектроскопии. Методы электронной
микроскопии: дифракционный, Кикучи-линий, метод реплик.
Раздел 6. ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ИС
Тема 6.1. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ ИС
6.1.1.Процессы формирования ТТЛШ-элементов. КБИП-элементы,
основные этапы их изготовления. Технологические маршруты изготовления
СВЧ ИС
6.1.2.Технологические методы формирования запоминающих устройств
на основе n-МОП-элементов. Конструктивно-технологические особенности
создания ИС на КМОП- и БиКМОП-элементах. Основные этапы их
формирования.
Тема 6.2. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ ИС
Часть 3. ТЕХНОЛОГИЯ МНОГОКРИСТАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ
Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МКМ
Тема 1.1. ВВЕДЕНИЕ
Понятие о МКМ. Основные разновидности.
Тема 1.2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ МКМ
1.2.1. Назначение оснований. Свойства и характеристики.
1.2.2. Материалы, используемые при изготовлении оснований МКМ.
Специфика их изготовления.
Тема 1.3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ МКМ
1.3.1. Необходимость разработки и применения.
1.3.2. Диэлектрические покрытия металлических оснований.
1.3.3. Алюминиевые основания как наиболее перспективные.
Электрохимический процесс формирования диэлектрического слоя на
алюминиевом основании.
1.3.4. Характеристики металлических оснований.
Тема.1.4. ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МКМ
1.4.1. Пленочные резисторы, конструкции, методы получения и
характеристики, методы корректировки номиналов, методы контроля
сопротивления при формировании резистивных пленок.
1.4.2. Пленочные конденсаторы, конструкции, материалы, методы
получения, характеристики, специфика применения.
1.4.3. Пленочные индуктивности.
28
Раздел 2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ МКМ
Тема 2.1. МНОГОКРИСТАЛЬНЫЕ МОДУЛИ НА ОСНОВЕ
ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ (MKM-L)
2.1.1.Технология MKM-L как более высокая версия технологии
гибридных интегральных микросхем на основе печатных плат.
2.1.2. Конструктивно-технологические особенности МКМ-L.
2.1.3.Основные характеристики.
2.1.4. Области применения. Перспективы развития.
Тема 2.2. МНОГОКРИСТАЛЬНЫЕ МОДУЛИ
НА КЕРАМИЧЕСКИХ ОСНОВАНИЯХ (MKM-С)
2.2.1. Технология МКМ-С как новый этап развития технологии МКМ на
керамических основаниях.
2.2.2. Конструктивно-технологические особенности изготовления
керамических оснований, толстопленочной многоуровневой системы
межсоединений и пассивных элементов.
2.2.3. Основные характеристики.
2.2.4. Области применения. Перспективы развития.
Тема 2.3. МНОГОКРИСТАЛЬНЫЕ МОДУЛИ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
(MKM-D)
2.3.1.Технология MKM-D как дальнейшее развитие технологии
высокоинтегрированных МКМ на основе тонких пленок.
2.3.2. Конструктивно-технологические особенности. Предельные
возможности технологии.
2.3.3. Частотные характеристики.
2.3.4. Перспективы развития.
Тема 2.4. МНОГОКРИСТАЛЬНЫЕ МОДУЛИ НА ОСНОВЕ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ
(МКМ-А)
2.4.1.Технология МКМ-А как принципиально новая технология
гибридных интегральных микросхем на основе электрохимического процесса
окисления вентильных металлов, преимущественно алюминия.
2.4.2. Конструкция и технологические особенности создания
многоуровневых систем межсоединений. Локальное окисление металлов.
Маскирование в технологии МКМ-А.
2.4.3. Методы формирования пассивных элементов и методы их
встраивания в объем многоуровневой системы межсоединений.
2.4.4. Особенности монтажа бескорпусных активных элементов в
технологии МКМ-А.
2.4.5. Характеристики и перспективы развития технологии.
29
Раздел 3. СБОРКА И ИСПЫТАНИЯ МКМ
Тема 3.1. СБОРКА МКМ
3.1.1.Монтаж активных и пассивных элементов. Пайка припоями, стеклами и металлическими сплавами.
3.1.2.Основное оборудование для сборки. Корпусирование.
Тема 3.2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МКМ
3.2.1. Плотность межсоединений. Плотность сборки.
3.2.2. Удельная рассеиваемая мощность. Предельная рабочая частота
синусоидального и цифрового сигналов.
3.2.3. Многопараметрическая характеристика как интегральный метод
сравнения различных технологий.
3.2.4. Выход годных. Стоимость и себестоимость изготовления МКМ.
Тема 3.3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ МКМ
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Часть 1
Окисление кремния в цикле сухой-влажный-сухой кислород.
Высокотемпературное легирование кремния бором и фосфором.
Ионное легирование кремния бором и фосфором.
Химическое травление технологических слоев.
Газофазная эпитаксия кремния.
Взрывная литография.
Получение алмазоподобных пленок.
Химическое удаление фоторезиста.
Часть 2
1. Исследование процессов изготовления КМОП ИС на тестовых структурах.
2. Исследование процессов изготовления n-МОП ИС на тестовых структурах.
3. Исследование процессов изготовления СВЧ ИС на тестовых структурах.
4. Исследование процессов изготовления ТТЛШ ИС на тестовых структурах.
5. Измерения основных параметров базовых тестовых структур.
6. Исследование процессов изготовления БиКМОП ИС на тестовых
структурах.
Часть 3
1. Технология электрохимического окисления в производстве МКМ. Плотные
и пористые оксиды.
2. Диэлектрические основания для МКМ.
3. Многоуровневая система металлизации МКМ.
4. Технология поверхностного монтажа компонентов в производстве МКМ.
30
5. Тестовые структуры для контроля электрических свойств металлизации
МКМ.
6. Особенности технологии сборки МКМ.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
1. Разработать маршрутную технологию блока изоляции ИС на ТТЛШэлементах (5 вариантов).
2. Разработать маршрутную технологию блока изоляции ИС на n-МОПэлементах (5 вариантов).
3. Разработать маршрутную технологию блока изоляции ИС на КМОПэлементах (5 вариантов).
4. Разработать маршрутную технологию блока изоляции ИС на БиКМОПэлементах (5 вариантов).
5. Разработать маршрутную технологию блока активной структуры ИС на
ТТЛШ- элементах (5 вариантов).
6. Разработать маршрутную технологию блока активной структуры ИС на nМОП элементах (5 вариантов).
7. Разработать маршрутную технологию блока активной структуры ИС на
КМОП-элементах (5 вариантов).
8. Разработать маршрутную технологию блока активной структуры ИС на
БиКМОП-элементах (5 вариантов).
9. Разработать маршрутную технологию блока металлизации ИС на ТТЛШэлементах (5 вариантов).
10. Разработать маршрутную технологию блока металлизации ИС на n-МОПэлементах (5 вариантов).
11. Разработать маршрутную технологию блока металлизации ИС на КМОПэлементах (5 вариантов).
12. Разработать маршрутную технологию блока металлизации ИС на
БиКМОП-элементах (5 вариантов).
ЛИТЕРАТУРА
1. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. – М.:
Радио и связь, 1991.
2. Моро У. Микролитография: Принципы, методы, материалы. – М.: Мир,
1990.
3. Родионов Ю.А. Литография в производстве интегральных микросхем. –
Мн.: Дизайн ПРО, 1998.
4. Кисель А.М., Родионов Ю.А. и др. Химическая обработка в технологии
ИМС. – Полоцк.: ПГУ, 2001.
5. Технология СБИС: В 2 кн.; Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. – М.: Мир,1986.
6. Gise Peter. Modern Semiconductor Fabrication Technology; University San
Jose, 1998.
31
7. Campbell Stephen A.. The Science and Engineering of Microelectronic
Fabrication; Oxford University, 2001.
8. Madou Mark J. Fundamentals of Microfabrication. New York, 2002.
9. Ферри Д. и др. Электроника ультрабольших интегральных схем. – М.: Мир,
1991.
10. Черных А.Г., Лантасов Ю.А. Лабораторный практикум «Тестовые
структуры для контроля технологического процесса изготовления СБИС». –
Мн.: БГУИР, 1997.
11. Черных А.Г., Гришков В.Н. Лабораторный практикум «Анализ
технологических маршрутов изготовления ИС». – Мн.: БГУИР, 2000.
12. Черных А.Г. Маршрутная технология интегральных схем: Метод. указания
по курсовому проектированию. – Мн.: БГУИР, 2003.
32
Утверждена
УМО вузов Республики Беларусь
по образованию в области информатики
и радиоэлектроники
« 03 » июня 2003 г.
Регистрационный № ТД-41-021/тип.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальности 1-41 01 03 Квантовые информационные системы
Согласована с Учебно-методическим управлением
БГУИР
« 28 » мая 2003 г.
33
Составители:
В.В. Нелаев, профессор кафедры микроэлектроники Учреждения образования
«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»,
доктор физико-математических наук;
В.Е. Борисенко, профессор кафедры микроэлектроники Учреждения образования
«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»,
доктор физико-математических наук;
И.И. Абрамов, профессор кафедры микроэлектроники Учреждения образования
«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»,
доктор физико-математических наук
Рецензенты:
Н.А. Цырельчук, ректор Учреждения образования «Минский государственный
высший радиотехнический колледж», профессор, кандидат технических наук;
Кафедра интеллектуальных систем Учреждения образования «Белорусский
национальный технический университет» (протокол № 8 от 24 февраля 2003 г.)
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой микроэлектроники Учреждения образования «Белорусский
государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол
№ 6 от 13 января 2003 г.);
Научно-методическим советом по направлениям 1-36 Оборудование и 1-41
Компоненты оборудования УМО вузов Республики Беларусь по образованию в
области информатики и радиоэлектроники (протокол № 3 от 28 марта 2003 г.)
Действует до утверждения Образовательного стандарта по специальности
34
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа “Системы автоматизированного проектирования
интегральных микросхем” составлена для специальности 1-41 01 03 Квантовые
информационные системы высших учебных заведений.
Целью
изучения
дисциплины
"Системы
автоматизированного
проектирования интегральных микросхем" является формирование знаний и
навыков математического моделирования основных технологических
процессов и элементов современных интегральных микросхем, изучение и
овладение современными системами автоматизированного проектирования в
микроэлектронике и приобретение практических навыков технологического и
схемотехнического проектирования и моделирования интегральных микросхем
(ИМС).
Базовыми дисциплинами для изучения “Систем автоматизированного
проектирования интегральных микросхем” являются:
 «Высшая математика» – основы теории множеств, математической
логики и теории графов, дифференциальные уравнения, вычислительные
методы, методы оптимизации, в том числе методы дискретной оптимизации;
 «Микросхемотехника»;
 «Физика полупроводниковых приборов»;
 «Физика твердого тела»;
 «Технологические процессы в микроэлектронике».
В результате освоения дисциплины “Системы автоматизированного
проектирования интегральных микросхем” студент должен получить
представление:
 о роли и месте систем автоматического проектирования (САПР) ИМС в
общем цикле производства изделий микроэлектроники;
 об основных тенденциях развития и современных достижениях методов и
систем автоматизированного проектирования больших интегральных схем
(БИС) и сверхбольших интегральных схем СБИС;
– знать:
– какими физическими и математическими моделями описываются базовые
технологические процессы, используемые при изготовлении интегральных
микросхем, и элементы интегральных микросхем;
– роль САПР в разработке и проектировании БИС и СБИС;
– уровни проблем, решаемых в ходе разработки БИС и СБИС с
использованием инструментария САПР микроэлектроники;
– основные особенности этапов проектирования БИС и СБИС: физикотехнологического,
функционально-логического,
схемотехнического,
топологического;
– методы и средства автоматизированного проектирования БИС и СБИС;
– назначение и характеристики основных программных комплексов САПР
микроэлектроники;
35
– уметь характеризовать:
– модели, используемые для расчетов технологических процессов и
элементов ИМС;
– физико-математические модели, лежащие в основе программных
комплексов САПР микроэлектроники;
– методы решения задач, используемые в основных программных
комплексах САПР микроэлектроники;
– уметь применять:
– основные функциональные возможности и программные пакеты САПР
микроэлектроники на главных этапах процессов проектирования БИС и СБИС;
– методы анализа и синтеза при проектировании БИС и СБИС с
использованием инструментария САПР микроэлектроники;
– приобрести навыки:
– анализа преимуществ и ограничений существующих моделей
технологических процессов и элементов интегральных микросхем;
– моделирования на персональном компьютере технологических процессов и
элементов интегральных микросхем;
– самостоятельной работы в среде основных программных комплексов
САПР микроэлектроники;
– анализа функциональных характеристик изделий микроэлектроники на
основе результатов расчетов, получаемых с использованием прикладных
пакетов САПР микроэлектроники.
Программа рассчитана на 165 аудиторных часов. Примерное
распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 65 часов,
лабораторных работ – 100 часов.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС
Тема 1.1. ТЕРМООБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
1. Механизмы нагрева. Режимы нагрева полупроводников излучением
(адиабатический, теплопроводности, теплового баланса).
2. Моделирование тепловых полей в полупроводниковых пластинах.
3. Термоупругие напряжения.
Тема 1.2. ЛЕГИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИЕЙ
1. Торможение ионов в твердом теле. Расчет пробегов ионов (теория
Линдхарда–Шарфа–Шиотта.
Расчет
пробегов
ионов.
Диффузионное
приближение Бирсака. Метод кинетического уравнения. Метод Монте-Карло).
2. Моделирование распределения имплантированной примеси и
выделенной энергии в кристаллических и аморфных мишенях.
36
3. Особенности распределения примесей и выделенной энергии в
монокристаллических мишенях.
Тема 1.3. ДИФФУЗИОННОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ ДИФФУЗИЕЙ
1. Механизмы диффузии примеси в полупроводниках. Диффузия в
равновесных условиях.
2. Равновесная растворимость примесей в полупроводниках.
3. Диффузия в неравновесных условиях.
4. Радиационно-стимулированная диффузия.
5. Диффузионное
перераспределение
примесей
при
высокотемпературной обработке.
6. Силицидообразование. Окисление.
Тема 1.4. ФОРМИРОВАНИЕ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО
РИСУНКА ЭЛЕМЕНТОВ ИМС
1. Оптическая литография. Закономерности образования рельефа
фоторезиста при экспонировании и проявлении.
2. Моделирование топологии при травлении/осаждении материалов.
3. Моделирование эпитаксии.
Тема 1.5. ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИМС
1. Физико-математические
модели
технологических
операций
изготовления элементов ИМС.
2. Численная
реализация
физико-математических
моделей
технологических операций изготовления элементов ИМС.
3. Стационарные границы.
4. Движущаяся граница кремния (Si).
5. Пространственная дискретизация; генерация временного шага.
6. Формат задания на технологическое моделирование.
7. Структура выходных данных технологического моделирования.
Раздел 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС
Тема 2.1. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС
1. Основные задачи моделирования элементов ИМС.
2. Общая классификация и подходы к синтезу моделей элементов ИМС.
3. Класс диффузионно-дрейфовых моделей.
Тема 2.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИМС
1. Упрощенные физико-топологические и электрические модели
биполярных транзисторов одномерного приближения.
2. Представление интегрального биполярного транзистора в одномерном
приближении. Модель Эберса–Молла и ее разновидности. Интегральное
соотношение Гуммеля. Модель Гуммеля–Пуна.
3. Вольт-амперные характеристики. Эффекты высокого уровня
37
инжекции. Коэффициент передачи и граничная частота.
4. Эффекты второго порядка. Понятие об упрощенных моделях
двухмерного приближения.
5. Численное моделирование биполярного транзистора. Одно-, двух- и
трехмерные модели.
6. Конечно-разностная аппроксимация – переход к дискретной модели.
Численные методы. Методы Ньютона и Гуммеля.
7. Расчет статических и динамических характеристик, параметров
электрических моделей. Специфика моделирования мощных биполярных
транзисторов.
8. Моделирование И2Л-элемента. Принцип построения упрощенных
моделей. Двухмерная модель.
9. Статические характеристики. Эффекты высокого уровня инжекции.
Тема 2.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ
1. Упрощенные модели металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)
транзисторов. Физико-топологические модели длинноканального транзистора
металл-окисел-полупроводник (МОП). Параметры транзистора. Эффекты,
связанные с малыми размерами.
2. Электрические модели МОП-транзисторов. Граничная частота.
Специфика моделирования различных разновидностей МДП-транзисторов.
3. Модель для эффекта защелкивания комплиментарных МОП-структур
(КМОП).
4. Численное моделирование МОП-структур. Двух- и трехмерные
модели МОП-транзисторов. Дополнительные допущения. Численные методы.
5. Специфика моделирования элементов с непланарными границами
раздела. Специфика численного моделирования КМОП-элемента.
Тема 2.4. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
1. Модели диодов и пассивных элементов ИМС.
2. Идентификация параметров моделей.
3. Классификация рассмотренных моделей элементов ИМС.
Раздел 3. САПР В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Тема 3.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ САПР И МОДЕЛИРОВАНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ ИМС В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
1. Роль САПР в совершенствовании разработки и проектирования СБИС.
2. Основные особенности САПР СБИС. Уровни проблем, решаемых в
ходе разработки СБИС.
3. Этапы проектирования СБИС: технологии, элементов, проектирование
функционально-логическое, схемотехническое, топологическое, архитектурное,
проектирование систем на кристаллах.
4. Методы и средства автоматизированного проектирования СБИС.
5. Назначение и характеристики основных программных комплексов
38
САПР микроэлектроники.
Тема 3.2. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБИС
1. Методы многофакторного статистического проектирования и
оптимизации технологии СБИС.
2. Планирование эксперимента.
3. Статистическое моделирование и оптимизация технологии СБИС с
использованием метода поверхности откликов.
4. Статистический анализ результатов компьютерного моделирования
технологии СБИС с использованием программ моделирования технологических
операций микроэлектроники.
5. Примеры статистического анализа результатов моделирования и
натурных экспериментов по формированию СБИС.
6. Программная
реализация
многофакторного
статистического
проектирования и оптимизации технологии ИМС.
Тема 3.3. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
1. Ввод и редактирование компонентов и принципиальной электрической
схемы.
2. Программные средства ввода и редактирования компонентов и
принципиальной электрической схемы.
3. Создание графического изображения компонента.
4. Структура слоев чертежа электрической схемы.
5. Организация построения чертежа электрической схемы.
6. Методы преобразования исходной информации в схемотехническую
модель ИМС.
7. Языки описания ИМС для схемотехнического моделирования.
Тема 3.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ, ЦИФРОВЫХ
И СМЕШАННЫХ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ИМС
1. Моделирование аналоговых ИМС. Общие сведения. Программные
средства и описание задания на моделирование аналоговых ИМС. Примеры
моделирования аналоговых устройств.
2. Моделирование цифровых устройств. Общие сведения. Программные
средства для моделирования цифровых ИМС. Примеры моделирования
цифровых устройств.
3. Моделирование смешанных аналого-цифровых устройств. Основные
понятия о моделировании смешанных аналого-цифровых устройств. Описание
задания на моделирование смешанных аналого-цифровых устройств.
4. Программные средства для моделирования смешанных аналогоцифровых устройств. Примеры моделирования смешанных аналого-цифровых
устройств.
5. Библиотеки параметров полупроводниковых приборов и цифровых
микросхем.
39
Тема 3.5. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СБИС
1. Проектирование заказных СБИС.
2. Базовые матричные кристаллы (БМК) и проектирование полузаказных
СБИС.
3. Проектирование программируемых СБИС.
4. Проектирование полностью заказных СБИС.
5. Классификация
программного
обеспечения
численного
моделирования элементов и фрагментов интегральных схем и тенденции его
развития.
6. Организация процесса сквозного моделирования в многоуровневых
системах.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ
И ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ
1. Моделирование тепловых полей при импульсной термообработке
полупроводников и пленочных структур на них.
2. Моделирование
пробегов
и
профилей
распределения
ионов,
имплантируемых в полупроводники и пленочные структуры на
полупроводниковой подложке (TRIM).
3. Диффузионный синтез силицидов в пленочных структурах металлкремний.
4. Моделирование
структурных
изменений
и
электрофизических
характеристик поликристаллического кремния, подвергнутого термообработке.
5. Моделирование процессов осаждения пленок и планаризации подложки с
микрорельефом.
6. Двухмерное стационарное моделирование МОП-приборов.
7. Моделирование стационарных и переходных процессов в биполярных
транзисторах в одномерном приближении.
8. Ознакомление со структурой файла задания на моделирование и входным
языком программы SUPREM моделирования технологии ИМС.
9. Моделирование формирования структуры биполярного транзистора с
использованием программы SUPREM.
10. Моделирование
формирования
структуры
МОП-транзистора
с
использованием программы SUPREM.
11. Исследование электрических характеристик элементов ИМС на основании
результатов моделирования технологии их формирования.
12. Статистический многофакторный анализ результатов компьютерного
моделирования технологии СБИС.
13. Ввод и редактирование компонентов и принципиальной электрической
схемы.
14. Исследование физико-математических моделей компонентов ИМС,
используемых в программных пакетах проектирования ИМС.
15. Проведение аналогового моделирования ИМС.
40
16. Проведение логического моделирования цифровых устройств.
17. Проведение моделирования смешанных аналого-цифровых устройств.
18. Ознакомление со средствами проектирования заказных, полузаказных,
программируемых и полностью заказных СБИС.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЬЮТЕРОВ
И КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
Для проведения лабораторных работ рекомендуется использовать
персональные компьютеры Pentium II, стандартную операционную систему
Windows 2000, а также стандартные (TRIM, SIMOS, SUPREM) и специально
разработанные
профессиональные
программы
для
моделирования
технологических процессов изготовления элементов интегральных микросхем
и их электрических характеристик.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
Раздел 1
1. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий,
приборов и схем. – М.: Высш. шк., 1989.
2. Борисенко В.Е. Твердофазные процессы в полупроводниках при
импульсном нагреве. – Мн.: Наука и техника, 1991.
Раздел 2
1. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий,
приборов и схем. – М.: Высш. шк., 1989.
2. Абрамов И.И. Курс лекций "Моделирование элементов интегральных
схем". – Мн.: БГУ, 1999.
Раздел 3
1. Серия «Автоматизация проектирования БИС»: Учеб. пособие для втузов.
Кн. 1-6 /Под. ред. Г.Г. Казеннова. – М.: Высш. шк., 1990.
2. Гурский Л.И., Степанец В.Я. Проектирование микросхем. – Мн.: Наука и
техника, 1991.
3. Hodges D.A., Jackson H.G. Analysis and design digital integrated circuits. –
McGrowHill Book Company, New York, 1988.
4. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов А.Ю. Микроэлектроника.
Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника: Учеб.
пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 1987.
41
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
Раздел 1
1. МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов /
Под ред. П. Антонетти и др. – М.: Радио и связь, 1989.
2. Моделирование полупроводниковых приборов и технологических
процессов / Под ред. Д. Миллера. – М.: Радио и связь, 1989.
Раздел 2
1. Абрамов И.И., Харитонов В.В. Численное моделирование элементов
интегральных схем. – Мн.: Выш. шк., 1990.
2. Абрамов И.И. Моделирование физических процессов в элементах
кремниевых интегральных микросхем. – Мн.: БГУ, 1999.
Раздел 3
1. Разевиг В.Д. Применение программ PCAD и PSPICE для
схемотехнического моделирования на ПЭВМ. – М.: Радио и связь, 1992.
Вып. 1: Общие сведения. Графический ввод схем;
Вып. 2: Модели компонентов аналоговых устройств;
Вып. 3: Моделирование аналоговых устройств;
Вып. 4: Моделирование цифровых (PC-LOGS) и смешанных устройств.
2. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования
печатных плат “DESIGN CENTER. PSPICE”. – М.: Радио и связь, 1996.
3. Разевиг В.Д. DESIGN CENTER для WINDOWS. – М.: Монитор-Аспект,
1994.
4. Разевиг В.Д. Применение программ PCAD и PSPICE для
схемотехнического моделирования на ПЭВМ. – М.: Радио и связь, 1992.
5. Разевиг В.Д. DESIGN CENTER 6.2 – система сквозного проектирования. –
PC Week, 1996.
6. Разевиг В.Д., Блохнин С.М. Система P-CAD 8.5. Руководство пользователя.
– М.: МП «Русь-90», 1996.
7. Как работать с пакетом PCAD? – М.: ИВК-СОФТ, 1990.
8. Соловьев В.В., Разумеев Р.А., Сульжиц В.И. Работа в системе
автоматизированного проектирования PCAD. В 3 ч. – Мн.: БГУИР, 1994.
9. Нелаев В.В., Пачинин В.И. Методические указания к лабораторному
практикуму
“Компьютерное
проектирование
конструкторских
и
технологических параметров интегральных схем”. – Мн.: БГУИР, 1996.
10. Нелаев В.В., Пачинин В.И. Методическое пособие к курсовому
проектированию по дисциплине “Расчет и проектирование полупроводниковых
приборов и элементов интегральных схем”. – Мн.: БГУИР, 1997.
11. Нелаев В.В. Методическое пособие “Программа SUPREM II
моделирования технологии изготовления интегральных схем”. – Мн.: БГУИР,
1998.
12. Нелаев
В.В.
Учебное
пособие
“Физическое
моделирование
42
технологических процессов в программе SUPREM II”. – М.: БГУИР, 1998.
13. Нелаев В.В. Введение в микроэлектронику: Учеб. пособие. – Мн.: БГУИР,
1999.
14. http://icts.by.ru.
15. http://www.silvaco.com.
43
44
Утверждена
УМО вузов Республики Беларусь
по образованию в области информатики
и радиоэлектроники
« 03 » июня 2003 г.
Регистрационный № ТД-41-022/тип.
ФИЗИКА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальности 1-41 01 03 Квантовые информационные системы
Согласована с Учебно-методическим управлением
БГУИР
« 28 » мая 2003 г.
45
Составители:
В.Е. Борисенко, профессор кафедры микроэлектроники Учреждения
образования «Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники», доктор физико-математических наук;
Е.А. Уткина, доцент кафедры микроэлектроники Учреждения образования
«Белорусский
государственный
университет
информатики
и
радиоэлектроники», кандидат технических наук
Рецензенты:
А.Л. Гурский, ведущий научный сотрудник Института физики им.
Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси, доктор физикоматематических наук;
Кафедра интеллектуальных систем Учреждения образования «Белорусский
национальный технический университет» (протокол № 8 от 24. 02. 2003 г).
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой
микроэлектроники
Учреждения
образования
«Белорусский
государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол
№ 6 от 13.01.2003 г.);
Научно-методическим советом по направлениям 1-36 Оборудование и 1-41
Компоненты оборудования УМО вузов Республики Беларусь по образованию в
области информатики и радиоэлектроники (протокол № 3 от 28.03.2003 г.)
Действует до утверждения Образовательного стандарта по специальности
46
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа «Физика низкоразмерных систем» разработана для
студентов специальности 1-41 01 03 Квантовые информационные системы
высших учебных заведений. Целью дисциплины является изучение
теоретических основ материаловедения, классификации материалов, их
основных свойств, принципов старения и условий сохранения стабильности
свойств.
Дисциплина изучается в 5-м семестре после освоения курсов: «Высшая
математика», «Основы алгоритмизации и программирования», «Физика»,
«Химия», «Материалы и компоненты электронной техники», «Физика
полупроводниковых приборов» и «Физика твердого тела».
Задачи
изучения
дисциплины
–
формирование
знаний
о
фундаментальных физических основах наноэлектроники, закономерностях и
механизмах переноса носителей заряда в системах пониженной размерности,
преимущественно на основе полупроводниковых материалов, освоение
способов
моделирования
фундаментальных
электронных
свойств
низкоразмерных систем и применения результатов при разработке нано- и
оптоэлектронных приборов на их основе.
В результате освоения курса «Физика низкоразмерных систем » студент
должен:
знать, что такое низкоразмерные и наноразмерные структуры, каковы их
основные электронные и оптические свойства, какие электронные и
оптоэлектронные приборы могут быть созданы на их основе;
уметь характеризовать эффекты, определяющие электронные и оптические
свойства наноразмерных структур и приборов на их основе, анализировать
преимущества и ограничения приборов наноэлектроники в сравнении с
другими электронными и оптоэлектронными приборами;
приобрести навыки выбора методов прогнозирования свойств и
механизмов функционирования приборов наноэлектроники, компьютерного
моделирования параметров наноэлектронных приборов.
Программа рассчитана на объем 70 учебных часов. Примерное
распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 50 час, практических
занятий – 20 часов.
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№
п.п.
1
Наименование темы
2
1
Раздел 1. Фундаментальные электронные
явления в низкоразмерных структурах
1.1
Введение в предмет
1.1.1 Квантовое ограничение
1.1.2 Баллистический транспорт
Лекции,
часов
3
Практ.
занятия,
часов
4
6
2
Всего
5
6
2
47
1
1.1.3
1.1.4
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.5
1.5.1
1.5.2
1.5.3
1.5.4
1.5.5
1.6
1.6.1
1.6.2
1.6.3
2
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
2.1.6
48
2
Туннелирование
Спиновые эффекты
Элементы низкоразмерных структур
Свободная поверхность и межфазные
границы
Многобарьерные квантовые структуры
Сверхрешетки
Квантовые шнуры и квантовые точки
Туннельно-связанные квантовые колодцы
Структуры с квантовым ограничением
внутренним электрическим полем
Квантовые колодцы
Модуляционно-легированные структуры
Дельта-легированные структуры
Структуры с квантовым ограничением
внешним электрическим полем
Поверхностное квантование
Структуры
металл/диэлектрик/полупроводник
Структуры с расщепленным затвором
Транспортные явления
Квантование проводимости
низкоразмерных структур
Одноэлектронное туннелирование
Резонансное туннелирование
Интерференция электронных волн.
Эффект Ааронова–Бома
Квантовый эффект Холла
Основы спинтроники
Гигантское магнитосопротивление
Спин-зависимое туннелирование
Эффект Кондо
Раздел 2. Оптические свойства
низкоразмерных структур
Поглощение и эмиссия света
полупроводниковыми нанокристаллами
Размерно-зависимые спектры оптического
поглощения
Экситон-фононные взаимодействия
Влияние электрического поля на
экситонное поглощение
Механизмы рекомбинации
Излучательные переходы в
полупроводниковых нанокристаллах
Электролюминесценция нанокристаллов
3
Продолжение таблицы
4
5
2
2
8
8
4
4
6
6
6
6
8
2
10
2
2
2
8
2
8
8
8
4
4
1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3
2.3.1
2.3.2
2.4
2.4.1
2.4.2
2
Резонансные оптические нелинейности
Нелинейные оптические свойства
полупроводниковых нанокристаллов
Экситоны и биэкситоны в квантовых
точках
Оптическое усиление и лазерный эффект
Интерфейсные эффекты
Фотоиндуцированные процессы в
полупроводниковых нанокристаллах
Явление выжигания спектральных линий в
ансамблях квантовых точек
Пространственно
организованные
ансамбли нанокристаллов
Сверхрешетки нанокристаллов
Фотонные кристаллы
3
6
Окончание таблицы
4
5
6
6
6
8
8
2
2
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел I. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ
Тема 1.1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ
1.1.1. Квантовое ограничение.
1.1.2. Баллистический транспорт.
1.1.3. Туннелирование.
1.1.4. Спиновые эффекты.
Тема 1.2. ЭЛЕМЕНТЫ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
1.2.1. Свободная поверхность и межфазные границы.
1.2.2. Многобарьерные квантовые структуры.
1.2.3. Сверхрешетки.
1.2.4. Квантовые шнуры и квантовые точки.
1.2.5. Туннельно-связанные квантовые колодцы.
Тема 1.3. СТРУКТУРЫ С КВАНТОВЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ ВНУТРЕННИМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ
1.3.1. Квантовые колодцы.
1.3.2. Модуляционно-легированные структуры.
1.3.3. Дельта-легированные структуры.
Тема 1.4. СТРУКТУРЫ С КВАНТОВЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ ВНЕШНИМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ
1.4.1. Поверхностное квантование.
1.4.2. Структуры металл – диэлектрик - полупроводник.
1.4.3. Структуры с расщепленным затвором.
49
Тема 1.5. ТРАНСПОРТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
1.5.1. Квантование проводимости низкоразмерных структур.
1.5.2. Одноэлектронное туннелирование.
1.5.3. Резонансное туннелирование.
1.5.4. Интерференция электронных волн. Эффект Аронова–Бома.
1.5.5. Квантовый эффект Холла.
Тема 1.6. ОСНОВЫ СПИНТРОНИКИ
1.6.1. Гигантское магнитосопротивление.
1.6.2. Спин-зависимое туннелирование.
1.6.3. Эффект Кондо.
Раздел 2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
Тема 2.1. ПОГЛОЩЕНИЕ И ЭМИССИЯ СВЕТА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ
НАНОКРИСТАЛЛАМИ
2.1.1. Размерно-зависимые спектры оптического поглощения.
2.1.2. Экситон-фононные взаимодействия.
2.1.3. Влияние электрического поля на экситонное поглощение.
2.1.4. Механизмы рекомбинации.
2.1.5. Излучательные переходы в полупроводниковых нанокристаллах.
2.1.6. Электролюминесценция нанокристаллов.
Тема 2.2. РЕЗОНАНСНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ НЕЛИНЕЙНОСТИ
2.2.1.
Нелинейные
оптические
свойства
нанокристаллов.
2.2.2. Экситоны и биэкситоны в квантовых точках.
2.2.3. Оптическое усиление и лазерный эффект.
полупроводниковых
Тема 2.3. ИНТЕРФЕЙСНЫЕ ЭФФЕКТЫ
2.3.1.
Фотоиндуцированные
процессы
в
полупроводниковых
нанокристаллах.
2.3.2. Явление выжигания спектральных линий в ансамблях квантовых
точек.
Тема 2.4. ПРОСТРАНСТВЕННО ОРГАНИЗОВАННЫЕ АНСАМБЛИ
НАНОКРИСТАЛЛОВ
2.4.1. Сверхрешетки нанокристаллов.
2.4.2. Фотонные кристаллы.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Расчет квантования энергетического спектра квантовых проволок и
квантовых точек.
2. Расчет параметров процесса одноэлектронного туннелирования.
50
3. Анализ структурных параметров низкоразмерных объектов - квантовых
точек (кластеров), шнуров и пленочных структур.
4. Моделирование электронных свойств и переноса носителей заряда в
одноэлектронных структурах.
5. Моделирование электронных свойств и переноса носителей заряда через
квантовые колодцы при резонансном туннелировании.
6. Расчет гигантского магнитосопротивления.
7. Моделирование
параметров
излучательной
рекомбинации
в
полупроводниковых нанокристаллах.
8. Расчет параметров оптической запрещенной зоны фотонных кристаллов.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
Для проведения лабораторных работ рекомендуется использовать
персональные компьютеры с процессором не ниже Pentium II, стандартную
операционную систему Windows 2000, а также стандартные или специально
разработанные профессиональные программы для моделирования квантовых
эффектов в наноразмерных твердотельных структурах и электронных свойств
приборов на их основе.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Борисенко В.Е. Учеб. пособие по курсу «Наноэлектроника». В 2 ч. Ч. 1:
Основы наноэлектроники. – Мн.: БГУИР, 2001.
2. Davies J. H. The Physics of Low-Dimensional Semiconductors: An Introduction
(Cambridge University Press, Cambridge, 1998).
3. D. K. Ferry, S. M. Goodnick, Transport in Nanostructures. Cambridge University
Press, Cambridge, 1997.
4. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники:
Учеб. пособие. – Новосибирск: НГТУ, 2000.
5. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф. и др. Физика низкоразмерных
систем. – М.: Наука, 2001 (Новые разделы физики полупроводников).
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Кульбачинский В.А. Двумерные, одномерные, нульмерные структуры и
сверхрешетки. –М.: МГУ, 1998.
2. Борисенко С.И. Электропроводность полупроводниковых сверхрешеток. –
Томск: ТГУ, 1998.
51
52
Утверждена
УМО вузов Республики Беларусь
по образованию в области информатики
и радиоэлектроники
« 03 » июня 2003 г.
Регистрационный № ТД-41-024/тип.
НАНОЭЛЕКТРОНИКА
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальностям
1-41 01 02 Микро- и наноэлектронные технологии и системы,
1-41 01 03 Квантовые информационные системы
Согласована с Учебно-методическим управлением
БГУИР
« 28 » мая 2003 г.
53
Составитель:
В.Е. Борисенко, профессор кафедры микроэлектроники Учреждения
образования «Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники», доктор физико-математических наук
Рецензенты:
В.М. Колешко, заведующий кафедрой интеллектуальных систем Учреждения
образования «Белорусская государственная политехническая академия»,
профессор, доктор технических наук;
Г.П. Яблонский, заведующий лабораторией Института физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси, доктор физико-математических
наук;
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой микроэлектроники Учреждения образования «Белорусский
государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол
№ 7 от 04.03.2002 г.);
Научно-методическим советом по направлениям 1-36 Оборудование и 1-41
Компоненты оборудования УМО вузов Республики Беларусь по образованию в
области информатики и радиоэлектроники (протокол № 1 от 25.10.2002 г.)
Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.030-98
54
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа «Наноэлектроника» разработана в соответствии с
Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.030-98 для специальностей
1-41 01 02 Микроэлектроника (в 2003 г. специальность Микроэлектроника
получила новое название Микро- и наноэлектронные технологии и системы,
код - 1-41 01 02), 1-41 01 03 Квантовые информационные системы высших
учебных заведений. Целью изучения дисциплины является формирование
знаний о нанотехнологии и о фундаментальных физических закономерностях
явлений в наноразмерных твердотельных структурах, преимущественно на
полупроводниковых материалах, об их электронных, магнитных, оптических
свойствах и о возможностях их применения в интегрированных системах
обработки информации.
В результате освоения курса «Наноэлектроника» студент должен:
знать:
- что такое низкоразмерные и наноразмерные структуры;
- какими технологическими методами формируются низкоразмерные и
наноразмерные структуры;
- каковы их основные электронные и оптические свойства;
- какие электронные и оптоэлектронные приборы могут быть созданы на
основе низкоразмерных и наноразмерных структур;
уметь характеризовать:
- эффекты,
определяющие
электронные
и
оптические
свойства
наноразмерных структур и приборов на их основе;
уметь анализировать:
- преимущества и ограничения приборов наноэлектроники в сравнении с
другими электронными и оптоэлектронными приборами;
приобрести навыки:
- выбора технологических средств для создания приборов наноэлектроники,
компьютерного моделирования параметров наноэлектронных приборов.
Возможные формы контроля теоретических знаний – письменные
контрольные работы, зачет или экзамен.
Изучение дисциплины базируется на курсах: «Высшая математика»,
«Квантовая механика», «Физика твердого тела», «Физика полупроводников и
диэлектриков», «Материалы электронной техники».
Программа рассчитана на 65 аудиторных часов.
В разделе “Содержание дисциплины” а) звездочкой (*) отмечены вопросы и
темы, которые могут быть предложены для самостоятельной проработки с помощью
учебных пособий [1, 2]; б) верхним интексом “1” отмечено количество часов,
рекомендуемое для специальности “Микро- и наноэлектронные технологии и
системы”, а индексом “2” – “Квантовые информационные системы”; в) там, где
названные индексы отсутствуют, указанное количество часов рекомендуется для
обеих специальностей.
55
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ (16 ЧАСОВ)
Тема 1.1.ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Квантовое ограничение. Баллистический транспорт. Туннелирование*.
Спиновые эффекты*.
Тема 1.2. ЭЛЕМЕНТЫ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
Свободная поверхность и межфазные
Моделирование атомных конфигураций.
границы.
Сверхрешетки.
Тема 1.3. СТРУКТУРЫ С КВАНТОВЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ ВНУТРЕННИМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ*
Квантовые колодцы. Модуляционно-легированные структуры. Дельталегированные структуры.
Тема 1.4. СТРУКТУРЫ С КВАНТОВЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ ВНЕШНИМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ*
Структуры
металл-диэлектрик-полупроводник.
расщепленным затвором.
Структуры
с
Раздел 2. ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ (16 ЧАСОВ1, 4 ЧАСА2 )
Тема 2.1. ТРАДИЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК*
Химическое
эпитаксия.
осаждение
из
газовой
фазы.
Молекулярно-лучевая
Тема 2.2. МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ СКАНИРУЕМЫЕ ЗОНДЫ
Физические основы. Атомная инженерия. Локальное окисление металлов
и полупроводников. Локальное химическое осаждение из газовой фазы.
Тема 2.3. НАНОЛИТОГРАФИЯ*
Электронно-лучевая
сканируемыми зондами.
методов.
литография.
Профилирование
резистов
Нанопечать. Сравнение нанолитографических
Тема 2.4. САМОРЕГУЛИРУЮЩИЕСЯ ПРОЦЕССЫ
Самоупорядочение. Самоорганизация
Самоорганизация при эпитаксии.
в
объемных
материалах.
Тема 2.5. ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ*
Пористый кремний. Углеродные нанотрубки.
56
Раздел 3. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
И НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ (16 ЧАСОВ1, 28 ЧАСОВ2)
Тема 3.1. ТРАНСПОРТ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ВДОЛЬ
ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ БАРЬЕРОВ
Интерференция электронных волн. Эффект Агаронова-Бома. Формализм
Ландауэра-Буттикера. Квантование проводимости низкоразмерных структур.
Квантовый эффект Холла. Электронные приборы на интерференционных
эффектах и на квантовании проводимости.
Тема 3.2. ТРАНСПОРТ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
ЧЕРЕЗ ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ БАРЬЕРЫ
Одноэлектронное туннелирование и электронные приборы на основе
этого эффекта. Резонансное туннелирование и электронные приборы на основе
этого эффекта.
Тема 3.3. СПИНТРОНИКА
Гигантское
магнитосопротивление.
Спин-контролируемое
туннелирование. Управление спинами электронов в полупроводниках. Эффект
Кондо. Электронные приборы.
Тема 3.4. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ
СТРУКТУР И ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ
Особенности
оптических
свойств
низкоразмерных
Гетеролазеры и светоизлучающие диоды. Детекторы излучений.
структур.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Конструирование и определение структурных параметров наноразмерных
объектов - квантовых точек (кластеров), шнуров и пленочных структур.
2. Конструирование квантовых колодцев с заданным потенциальным
рельефом.
3. Моделирование одноэлектронных структур.
4. Моделирование структур на эффекте резонансного туннелирования.
5. Моделирование оптоэлектронных наноразмерных структур.
6. Логические элементы на наноразмерных структурах.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КОМПЬЮТЕРОВ
И КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ
Для проведения лабораторных работ рекомендуется использовать
персональные компьютеры с процессором не ниже Pentium II, операционную
систему Windows XP Professional, а также стандартные или специально
разработанные профессиональные программы для моделирования квантовых
57
эффектов в наноразмерных твердотельных структурах и электронных свойств
приборов на их основе.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Борисенко В. Е. Учебное пособие по курсу «Наноэлектроника». Ч. 1.
Основы наноэлектроники. – Мн.: БГУИР, 2001.
2. Борисенко В. Е.,
Воробьева А. И.
Учебное
пособие
по
курсу
«Наноэлектроника». Ч. 2. Нанотехнология. – Мн.: БГУИР, 2003.
3. Davies J. H. The Physics of Low-Dimensional Semiconductors: An
Introduction.- Cambridge: Cambridge University Press, 1998.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Ferry D. K., Goodnick S. M. Transport in Nanostructures. – Cambridge
Cambridge University Press, 1997.
2. Грибковский В. П. Теория поглощения и испускания света в
полупроводниках. – Мн.: Наука и техника, 1975.
3. Хакен X. Квантово-полевая теория твердого тела. – М.: Наука 1980.
58
Утверждена
УМО вузов Республики Беларусь
по образованию в области информатики
и радиоэлектроники
« 03 » июня 2003 г.
Регистрационный № ТД-41-026/тип.
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальностям 1-41 01 02 Микро- и наноэлектронные
технологии и системы, 1-41 01 03 Квантовые информационные системы
Согласована с Учебно-методическим управлением
БГУИР
« 28 » мая 2003 г.
59
Составитель:
В.А. Петрович, доцент кафедры микроэлектроники Учреждения образования
«Белорусский
государственный
университет
информатики
и
радиоэлектроники», кандидат физико-математических наук, доцент
Рецензенты:
Ф.П. Коршунов, заведующий лабораторией радиационных воздействий
Института физики твердого тела и полупроводников Национальной академии
наук Беларуси, член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси,
профессор, доктор технических наук;
В.М. Колешко, заведующий кафедрой «Интеллектуальные системы»
Учреждения образования «Белорусская государственная политехническая
академия», профессор, доктор технических наук;
В.И. Курмашев, профессор Инженерного центра «Плазматэг» Национальной
академии наук Беларуси, доктор технических наук
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой микроэлектроники Учреждения образования «Белорусский
государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол
№ 6 от 13.01.2003 г., №7 от 04.03.2002 г.);
Научно-методическим советом по направлениям 1-36 Оборудование и 1-41
Компоненты оборудования УМО вузов Республики Беларусь по образованию
в области информатики и радиоэлектроники (протокол № 3 от 28.02.2003 г.,
№1 от 25.10.2002 г.)
Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.030-98
60
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программа дисциплины «Физика твердого тела» (ФТТ) разработана в
соответствии с Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.030-98 для
специальностей 1-41 01 02 Микро- и наноэлектронные технологии и системы»,
1-41 01 03 «Квантовые информационные системы» высших учебных заведений.
Целью изучения дисциплины ФТТ является формирование глубоких и
всесторонних знаний о физических
свойствах используемых в
микроэлектронике твердых тел: металлов, полупроводников и диэлектриков,
методах управления электрофизическими свойствами этих тел, методах
контроля их параметров.
Изучение дисциплины ФТТ базируется на материале общенаучных
дисциплин «Физика», «Физическая химия», «Квантовая механика и
статистическая физика». ФТТ представляет собой, с одной стороны, базу для
дисциплин специального цикла, и с другой стороны, – базу для дисциплин
специализаций.
В результате изучения дисциплины «Физика твердого тела» студент
должен:
знать:
- основные свойства и методы испытания полупроводников, диэлектриков и
металлов;
- основные положения современной кристаллофизики и методов
исследования поверхностных и объемных свойств идеальных и реальных
кристаллических и аморфных твердых тел;
уметь:
- использовать теоретические знания свойств твердых тел и применять их при
анализе явлений в твердых телах в различных условиях;
- качественно и количественно анализировать основные физические
процессы, реализуемые на границах раздела различных твердых тел с
окружающей средой.
Программа рассчитана на 105 часов лекционного материала (70 часов –
для специальности 1-41 01 02), 35 часов лабораторных и 35 часов практических
занятий. Кроме этого, предусмотрено выполнение курсовой работы (для
специальности 1-41 01 02), в которой студентам предлагается самостоятельно и
углубленно проанализировать один из вопросов «Физики твердого тела».
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ. ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ
ПРОВОДИМОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Тема 1.1. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ
Тема 1.2. МОДЕЛЬ МЕТАЛЛОВ ДРУДЕ
Распределение
Максвелла-Больцмана;
электронные
плотности;
статическая электропроводность металлов; время релаксации; обобщенное
61
уравнение движения электронов в металлах в модели Друде; эффект Холла и
магнетосопротивление; циклонная частота; высокочастотная электропроводность металлов; теплопроводность металлов.
Тема 1.3. МОДЕЛЬ МЕТАЛЛОВ ЗОММЕРФЕЛЬДА
Распределение Ферми-Дирака; периодические условия Борна-Кармана;
волновой вектор, импульс и энергия Ферми; поверхность Ферми; свойства
электронного газа в основном состоянии; термодинамические свойства
электронного газа.
Раздел 2. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Тема 2.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ТВЕРДЫХ
ТЕЛ: ИДЕАЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ
Положение элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами, в
периодической таблице элементов; неорганические и органические
полупроводниковые соединения. Кристаллы, их симметрия. Решетка Бравэ;
обратная решетка; индексы Миллера.
Тема 2.2. ЭЛЕКТРОНЫ В ПЕРИОДИЧЕСКОМ
ПОТЕНЦИАЛЬНОМ ПОЛЕ
Свободный электрон. Скорость, импульс, волновой вектор, длина волны
и энергия электрона. Выражения, определяющие групповую скорость и массу
электрона.
Движение электрона в кристалле. Волновые функции Блоха. Зоны
Бриллюэна для различных кристаллов. Модельные представления
периодического потенциального поля для расчета энергетического спектра и
характеристик движения электрона в кристалле.
Тема 2.3. СВОЙСТВА ВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В
ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
Модель Кронига-Пенни. Энергетический спектр электронов в
периодическом потенциальном поле. Физический смысл понятия эффективной
массы. Эффективная масса и скорость электрона. Зависимость величины
эффективной массы и групповой скорости электрона от его волнового вектора.
Квазиимпульс. Изоэнергетические поверхности. Различия эффективных масс
дырок и электронов. Определение эффективных масс носителей заряда методом
циклонного резонанса.
Тема 2.4.
ЗОННАЯ СТРУКТУРА КОНКРЕТНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Металлы, полупроводники и диэлектрики в зонной теории. Зонная
структура основных полупроводниковых материалов. Зависимость ширины
запрещенной зоны полупроводниковых материалов от температуры и давления.
62
Раздел 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ В ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЕ
Тема 3.1. СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ: РЕАЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ
Дефекты кристаллической решетки и их влияние на энергетический
спектр электронов. Микроскопические и макроскопические дефекты. Границы
зерен. Дефекты
типа Френкеля и типа Шоттки. Отклонение от
стехиометрического состава. Примеси.
Тема 3.2. ЛОКАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ
В ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЕ
Донорные и акцепторные примеси. Образование примесной зоны.
Многозарядные примесные центры. Экситоны Френкеля и Мотта. Поляроны.
Поверхностные уровни Тамма.
Тема 3.3. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ЭЛЕКТРОНОВ
В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
Гальваномагнитные
и
магнитоакустические
методы;
метод
циклотронного резонанса; методы оптического и термического возбуждения
локальных энергетических уровней.
Раздел 4. СТАТИСТИКА РАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Тема 4.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА КОНЦЕНТРАЦИИ
НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Распределение носителей заряда по зонам в диэлектриках,
полупроводниках и металлах. Плотность разрешенных состояний. Уровень
Ферми.
Тема 4.2. КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СОБСТВЕННЫХ И
ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Концентрация электронов и дырок в полупроводниках и их
температурные зависимости в случаях собственной и примесной
электропроводности. Закон действующих масс для носителей заряда в
полупроводниках. Влияние температурной зависимости ширины запрещенной
зоны на концентрацию носителей заряда. Температурная зависимость
положения
уровня
Ферми
в
невырожденных
полупроводниках.
Компенсированные полупроводники.
Тема 4.3. КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В
ВЫРОЖДЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Вырожденные полупроводники. Низко- и высокотемпературное
вырождение. Концентрация электронов и дырок в сильновырожденных
полупроводниках. Концентрации электронов и дырок в слабовырожденных
полупроводниках.
63
Раздел 5. НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Тема 5.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ
Характеристики неравновесного состояния электронов и дырок в
полупроводниках. Квазиуровни Ферми. Функция распределения неравновесных
носителей заряда.
Тема 5.2. КИНЕТИКА УСТАНОВЛЕНИЯ КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ СОСТОЯНИЙ
Сечение рекомбинации. Уравнение непрерывности. Время жизни неравновесных носителей заряда. Линейная и квадратичная рекомбинации.
Максвелловское время релаксации.
Тема 5.3. МЕХАНИЗМЫ РЕКОМБИНАЦИИ ИЗБЫТОЧНЫХ
НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Межзонная рекомбинация. Время жизни носителей заряда при
излучательной рекомбинации. Безызлучательная рекомбинация.
Рекомбинация через рекомбинационные уровни. Модель Холла –Шокли Рида. Методы управления временем жизни
носителей заряда
и его
зависимость от положения уровня Ферми. Температурная зависимость времени
жизни при рекомбинации через локальные уровни. Определение
энергетического
положения
рекомбинационных
уровней.
Методы
контролируемого введения рекомбинационных уровней в микроэлектронике.
Тема 5.4. ДИФФУЗИОННЫЕ И ДРЕЙФОВЫЕ ТОКИ
Диффузионные и дрейфовые токи в полупроводниках. Соотношение
Эйнштейна. Диффузия и дрейф избыточных носителей в полупроводниках.
Диффузионная длина. Длина экранирования Дебая.
Раздел 6. МЕХАНИЗМЫ РАССЕЯНИЯ И ПОДВИЖНОСТЬ
НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Тема 6.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О МЕХАНИЗМАХ РАССЕЯНИЯ
И ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Движение электрона в кристалле в отсутствие рассеяния. Энергетический
спектр полупроводника, помещенного в электрическое поле. Движение
электронов и дырок в случае рассеяния. Среднее время и средняя длина
свободного пробега и подвижности носителей заряда.
Тема 6.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПОДВИЖНОСТИ ПРИ
ОДНОВРЕМЕННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ НЕСКОЛЬКИХ
МЕХАНИЗМОВ РАССЕЯНИЯ
Механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках. Рассеяние
электронов на ионизованных примесях. Тепловые колебания кристаллической
решетки. Энергетический спектр колебания решетки. Рассеяние носителей
64
заряда на колебаниях решетки. Междолинное рассеяние. Рассеяние электронов
на свободных носителях заряда, неионизованных примесях и дислокациях.
Температурная зависимость подвижности в случае одновременного
действия нескольких механизмов рассеяния.
Тема 6.3. ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Влияние сильных электрических полей на подвижность носителей заряда.
Эффект Ганна. Проводимость полупроводников. Зависимость проводимости от
концентрации примесей и температуры.
Раздел 7. ФИЗИКА ДИЭЛЕКТРИКОВ
Тема 7.1. МГНОВЕННЫЕ И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ
ДИЭЛЕКТРИКОВ
Поляризованность диэлектриков. Мгновенная и релаксационная
поляризации диэлектриков. Расчет диэлектрической проницаемости и
температурного коэффициента диэлектрической проницаемости; частотная
дисперсия.
Тема 7.2. МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Электронная и ионная проводимости
диэлектриков. Зависимость
концентрации и подвижности носителей заряда от температуры. Прыжковая
электропроводность диэлектриков. Токи, ограниченные объемным зарядом.
Пробой диэлектриков.
Тема 7.3. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
Макроскопическое описание диэлектрических потерь. Комплексная
диэлектрическая проницаемость. Тангенс угла диэлектрических потерь. Ток
смещения. Активная составляющая тока смещения и определяемая ею
мощность диэлектрических потерь.
Диэлектрические потери при релаксационной поляризации. Ионная
поляризация в области резонанса; особенности спектра диэлектрической
проницаемости. Область частот полного отражения. Инфракрасное
поглощение.
Тема 7.4. СЕГНЕТО- И ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики. Фазовые переходы и спонтанная
поляризация. Симметрия кристаллов и пьезоэлектрические модули.
Пьезоэффект в кварце. Электрострикция. Электрооптические свойства в
кристаллах. Электреты.
65
Раздел 8. ОСНОВЫ ФИЗИКИ КОНТАКТНЫХ ЯВЛЕНИЙ
Тема 8.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ,
НАХОДЯЩИХСЯ В ВАКУУМЕ
Энергетические диаграммы полупроводников, металлов и диэлектриков.
Работа выхода, энергия сродства, уровень Ферми. Внешняя и внутренняя
работа выхода.
Тема 8.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ,
НАХОДЯЩИХСЯ ВНЕ ВАКУУМА: СОСТОЯНИЕ
РАВНОВЕСИЯ
Причина возникновения области пространственного заряда (ОПЗ) в
приповерхностных слоях твердых тел. Оценка толщины ОПЗ. Обогащенная,
обедненная и инверсная ОПЗ.
Общие принципы построения энергетических диаграмм контактирующих
твердых тел. Изотипные и анизотипные контакты. Гетеропереходы. Влияние
температуры на вид энергетических диаграмм контактирующих тел.
Тема 8.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ,
НАХОДЯЩИХСЯ ВНЕ ВАКУУМА: СОСТОЯНИЕ
НАРУШЕННОГО РАВНОВЕСИЯ
Энергетические диаграммы контактирующих тел в состоянии
нарушенного термодинамического равновесия. Квазиуровни Ферми в пределах
ОПЗ. Прямое и обратное включение контакта. Токи через границу раздела.
Инжекция и экстракция основных и неосновных носителей заряда. Барьерная и
диффузионная емкости контакта.
Раздел 9. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ
ТВЕРДОГО ТЕЛА
Тема 9.1. АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Упругие волны в пьезоэлектрических полупроводниках. Объемные и
поверхностные волны. Взаимодействие упругих волн с носителями заряда в
полупроводниках: усиление и поглощение упругих волн. Усиление
поверхностных упругих волн при взаимодействии с электронами. Акустоэлектрический эффект. Физические основы практического использования
поверхностных акустических волн.
Тема 9.2. АМОРФНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
Аморфные полупроводники. Электропроводность
структур и локализация электронных состояний.
неупорядоченных
Тема 9.3. РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ
Сверхтонкие материалы; размерные эффекты в
Диэлектрическая проницаемость металлов. Металлооптика.
66
твердых
телах.
Раздел 10. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Тема 10.1. ЗОННАЯ СТРУКТУРА ТВЕРДЫХ ТЕЛ В К-ПРОСТРАНСТВЕ
Прямозонные и непрямозонные твердые тела. Прямые и непрямые
оптические переходы. Внутризонное и межзонное поглощение; частотная
дисперсия.
Тема 10.2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФОТОПРОВОДИМОСТИ
Собственная и примесная фотопроводимость. Эффекты очувствления,
суперлинейности, температурного и ИК-гашения фотопроводимости.
Раздел 11. ФИЗИКА ТОНКИХ ПЛЕНОК
Тема 11.1. ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Методы получения тонких пленок (общие сведения). Методы контроля и
изучения строения тонких пленок. Эффекты электромиграции и массопереноса.
Тема 11.2. РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНКАХ
Основные понятия. Размерные эффекты на длине остывания, на длине
Дебая, на длине свободного пробега по импульсу. Размерные эффекты в
многодолинных полупроводниках и квантовые размерные эффекты.
Тема 11.3. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ
СВОЙСТВ ПЛЕНОК ПРИ УМЕНЬШЕНИИ ИХ ТОЛЩИНЫ
Влияние поверхностных состояний на основные электрофизические
характеристики полупроводников и диэлектриков. Спектр разрешенных и
запрещенных энергий в приповерхностных слоях. Электрическая прочность и
механизмы электропроводности тонких диэлектрических пленок.
Раздел 12. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Тема 12.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Тема 12.2. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Тема 12.3. МЕТОДЫ ХИМИЧЕСКОГО И МИКРОХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Тема 12.4. МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ПОТОКИ
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ (ЭЛЕКТРОННЫХ, ИОННЫХ,
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ) ЧАСТИЦ
Раздел 13. ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА
Тема 13.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Энергия магнитного дипольного взаимодействия. Взаимодействие
электронов и магнитная структура. Теория Кондо. Магнитное упорядочение.
67
Тема 13.2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ФЕРРОМАГНЕТИЗМА
Ферромагнетизм. Доменная структура.
цилиндрических магнитных доменов.
Физика
полосковых
и
Раздел 14. РАДИАЦИОННАЯ ФИЗИКА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Тема 14.1. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ ПЕРВИЧНЫХ
РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Взаимодействие электронных, нейтронных, протонных, ионных и
γ-потоков
с твердыми телами; механизмы образования первичных
радиационных дефектов.
Тема 14.2. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И ПРИРОДА ВТОРИЧНЫХ
РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ
Подвижность и температурная устойчивость первичных и вторичных
радиационных дефектов. Радиационное повреждение зонной структуры
твердых тел.
Тема 14.3. РАДИАЦИОННАЯ ДЕГРАДАЦИЯ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ДИЭЛЕКТРИКОВ
Радиационная деградация времени жизни носителей заряда, их
концентрации и подвижности в полупроводниках; инверсия типа проводимости
полупроводников. Накопление объемного заряда в диэлектриках под действием
радиационных облучений.
ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (34 ЧАСА)
1. Изучение свойств металлов методами статической электропроводности.
2. Изучение релаксационных механизмов поляризации диэлектриков.
3. Изучение прямого и обратного пьезоэффекта.
4. Изучение физических свойств полупроводников и диэлектриков в слабых
электрических полях методом электрических контактных измерений.
5. Определение ширины запрещенной зоны полупроводников методом
измерения дифференциального сопротивления контакта «полупроводник полупроводник», методом измерения обратного тока контакта «металл полупроводник».
6. Изучение высокотемпературной сверхпроводимости.
7. Изучение температурной зависимости подвижности носителей заряда при
рассеянии на ионизованных примесях.
8. Изучение глубоких уровней в кремнии методом температурной
зависимости эффекта Холла.
9. Изучение зонной структуры полупроводников методом оптической
спектроскопии.
10. Изучение эффекта поля в полупроводниках методом С-У-характеристик.
68
11. Изучение диффузионной и дрейфовой скорости движения носителей
заряда в полупроводниках.
12. Изучение типа проводимости твердых тел методом термозондирования.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Для обеспечения самостоятельной работы в течение всего семестра, темы
практических занятий в основном развивают те вопросы, которые уже
рассматривались на лекциях. При этом характер рассматриваемых вопросов
требует от студента не только регулярного изучения конспекта лекций, но и
самостоятельных усилий, синтеза новых положений на базе уже накопленных
знаний, но не обобщенных в лекционном материале.
Предусматривается задание задач на дом, а также обязательная
отчетность каждого студента по вопросам, изучаемым на практических
занятиях.
Постоянный контроль, поэтапная сдача экзамена в течение семестра,
десятибалльная система оценки знаний и система «штрафов» исключают
недобросовестную работу каждого студента.
КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ПРЕДМЕТУ ФТТ
Целью курсового проектирования является обучение навыкам
самостоятельной разработки одного из вопросов теории твердого тела, включая
самостоятельный поиск учебной и (или) научной литературы, а также
изложение сути физических явлений в «пояснительной записке» и
иллюстративном материале на плакатах. Одна из главных задач – это умение
изложить изученный вопрос перед группой студентов в виде устного доклада
и обсуждение доклада с участием всей группы под контролем и с помощью
преподавателя.
Предусмотрена также фактическая исследовательская работа студентов
в учебных
и научных
лабораториях
кафедры
микроэлектроники
БГУИР под руководством преподавателя или научного сотрудника кафедры.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
1. Пробой диэлектриков, обратимость и необратимость пробоя.
2. Макро- и микроскопическая теория диэлектриков; локальное поле и поле
Лоренца в твердых телах.
3. Полная шкала электромагнитных волн. Комплексная диэлектрическая
проницаемость, проводимость и магнитная проницаемость твердых тел.
4. Метод Коул-Коула при анализе механизмов поляризации твердых тел.
5. Радиационные эффекты в диэлектриках.
6. ИК-спектроскопический анализ твердых тел;
7. Пьезоэффект в кварце и титанате бария.
69
8. Комплексная проводимость металлов. Диэлектрическая проницаемость
металлов.
9. Сопоставительный анализ моделей Друде и Зоммерфельда.
10. Ферми-поверхность в металлах.
11. Эффективная масса носителей заряда в полупроводниках: квантовомеханическое обоснование.
12. Эффект Холла в металлах и полупроводниках.
13. Примесное поглощение света в полупроводниках.
14. Емкостная спектроскопия полупроводников.
15. Фотопроводимость полупроводников.
16. Эффекты очувствления и суперлинейности, инфракрасного и
температурного гашения проводимости диэлектриков и полупроводников.
17. Отрицательный фотоэффект в полупроводниках, тушение проводимости
полупроводников.
18. Эффект Ганна в полупроводниках.
19. Экситоны в полупроводниках.
20. Поляронные состояния в полупроводниках и диэлектриках.
21. Диэлектрическая проницаемость анизотропных диэлектриков.
22. Анализ релаксационных механизмов поляризации методом Коул-Коула.
23. Методы экспериментального анализа свойств поверхности твердых тел.
24. Эллипсометрический метод анализа свойств поверхности твердых тел.
25. Электрические методы анализа свойств твердых тел.
26. Радиационные эффекты в полупроводниках.
27. Радиационные эффекты в двуокиси кремния и алюминия.
28. Инфракрасная спектрометрия твердых тел.
29. Радиационная деградация основных электрофизических параметров
полупроводников: времени жизни, подвижности, удельного сопротивления.
30. Общефизические явления на границах раздела двух полупроводников.
Специфические свойства гетеропереходов.
31. Контакт «металл-полупроводник». Барьеры Мотта и Шоттки.
32. Собственное поглощение света в полупроводниках и диэлектриках, форма
края собственного поглощения и определение ширины запрещенной зоны.
33. Релаксационная
поляризация
диэлектриков;
релаксационная
диэлектрическая проницаемость (расчет); проводимость диэлектриков,
содержащих релаксационные механизмы поляризации.
34. Модели и теоретическое описание свойств аморфных полупроводников.
35. Низкочастотные и высокочастотные вольт–фарадные характеристики
полупроводников.
36. Явления электромиграции в тонких пленках.
37. Электроны и дырки в металлах.
38. Экспериментальное
исследование
релаксационных
механизмов
поляризации в органических диэлектриках.
70
ЛИТЕРАТУРА
1. Ашкрофт Б.Н., Мермин Н. Физика твердого тела. – Ч. 1,2 - М.: Мир,
1979.
2. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. – М.: Высш. шк.,
1985.
3. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела. – М.: Мир, 1969.
4. Шалимова К.В. Физика полупроводников. – М.: Энергоатомиздат,
1985.
5. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. – М.:
Наука, 1977.
6. Горбачев В.В., Спицина Л.Г. Физика полупроводников и металлов. М.: Металлургия, 1982.
7. Киреев П.С. Физика полупроводников. – М.: Высш. шк., 1975.
8. Смит Р.А. Полупроводники. – М.: Мир, 1982.
9. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. – М.: Высш. шк.,
1984.
10. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела . – М.: Наука, 1978.
11. Слэтэр Дж. Диэлектрики, полупроводники, металлы. – М.: Мир, 1969.
12. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. – М.: Энергоиздат,
1982.
13. Хиппель А. Диэлектрики и волны. – М.: ИЛ. 1960.
14. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. – Нижний
Новгород: НГУ, 1993.
15. Петрович В.А. Методические указания к лабораторным работам по
курсу «Физика твердого тела» для студ. спец. «Автоматика и
электроника».
Ч.
1:
Релаксационные
механизмы
поляризации
диэлектриков. – Мн: МРТИ, 1988.
16. Петрович В.А. и др. Методические указания и лабораторные работы
по курсу «Физика твердого тела» для студ. спец. «Электронные приборы
и устройства». Ч. 2: Физика полупроводников. - Мн: МРТИ, 1989.
17. Петрович В.А. Методические указания и лабораторная работа по
курсу «Физика твердого тела» для студ. спец. «Микроэлектроника и
полупроводниковые приборы». Ч. 3: Физика металлов (модель Друде). –
Мн: МРТИ, 1991.
18. Петрович В.А. Учебно-методическое пособие к лабораторной работе
«Классическая модель металлов Друде» по курсу «Физика твердого тела» для студ.
спец. «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы». – Ч. 4 – Мн.: БГУИР,
1995.
19. Петрович В.А. Методическое пособие к лабораторным работам по
курсу «Физика твердого тела» для студ. спец. «Микроэлектроника». –
Мн.: БГУИР, 1997.
71
20. Петрович В.А. Методическое пособие к лабораторным работам по курсу
«Физика твердого тела» для студ. спец. «Микроэлектроника». – Мн.: БГУИР,
2000.
21. Петрович В.А. Методическое пособие по курсу «Физика твердого тела»
для студ. спец. «Микроэлектроника». – Мн: БГУИР, 2001.
22. Петрович В.А., Волчек С.А. Физика диэлектриков: Метод. пособие по
курсу «Физика твердого тела» для студ. спец. «Микроэлектроника» всех форм
обуч. - Мн.: БГУИР, 2003.
72
Утверждена
УМО вузов Республики Беларусь
по образованию в области информатики
и радиоэлектроники
« 03 » июня 2003 г.
Регистрационный № ТД-41-023/тип.
МИКРОСИСТЕМОТЕХНИКА
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальностям 1-41 01 02 Микро- и наноэлектронные
технологии и системы, 1-41 01 03 Квантовые информационные системы
Согласована с Учебно-методическим управлением
БГУИР
« 28 » мая 2003 г.
73
Составитель:
А. С. Шматин, ассистент кафедры микроэлектроники Учреждения образования
«Белорусский
государственный
университет
информатики
и
радиоэлектроники»;
Рецензенты:
Ф.П. Коршунов,
заведующий лабораторией радиационных воздействий
Института физики твердого тела и полупроводников Национальной академии
наук Беларуси, член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси,
доктор технических наук;
В.М. Колешко, заведующий кафедрой «Интеллектуальные системы»
Учреждения образования «Белорусская государственная политехническая
академия», доктор технических наук
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой микроэлектроники Учреждения образования «Белорусский
государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол
№ 7 от 04.03.2002 г.);
Научно-методическим советом по направлениям 1-36 Оборудование и 1-41
Компоненты оборудования УМО вузов Республики Беларусь по образованию в
области информатики и радиоэлектроники (протокол №1 от 25.10.2002 г.)
Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.030-98
74
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа “Микросистемотехника” разработана в соответствии
с Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.030-98 для специальностей 1-41
01 02 Микро- и наноэлектронные технологии и системы, 1-41 01 03 Квантовые
информационные системы высших учебных заведений.
Целью изучения дисциплины является освоение основ построения
мультимикропроцессорных систем различного функционального назначения на
базе микропропроцессоров (МП), микропроцессорных комплектов больших
интегральных схем (МПК БИС) отечественного и зарубежного производства, а
также интерфейсов и средств сопряжения, применяемых в микропроцессорной
технике и овладение приемами и методами их программирования при помощи
ПЭВМ.
Задачей изучения дисциплины является освоение принципов создания
мультимикропроцессорных систем посредством макетирования рабочих
микросистем
в
базисах
функциональных
интегральных
схем
и
микропроцессорных структур посредством методов их расчета и принципов
организации, освоение методов программирования и микропрограммирования
микропроцессоров. Предлагаются к рассмотрению также примеры построения
микропроцессорных устройств для контроля, диагностики, восстановления и
поиска информации; методы и схемы сопряжения микроЭВМ с объектами,
схемы расширения оперативной памяти, адресного взаимодействия устройств.
В результате освоения курса «Микросистемотехника» студент должен:
знать:
- основные базисы микросистем, микропроцессорные структуры;
- интерфейс микропроцессорных систем;
- архитектуру микропроцессоров Pentium;
- организацию типовых микропроцессорных систем;
- мультипроцессорные архитектуры;
уметь характеризовать:
- организацию процесса управления микропроцессором;
- организацию процесса обработки информации микропроцессором;
уметь анализировать:
- организацию процессов управления и обработки микропроцессора;
- организацию интерфейса микропроцессорных систем;
- работу мультипроцессорных систем;
приобрести навыки:
- построения компьютерных микросистем;
- программирования типового микропроцессора (на языке ассемблера) и
управления работой типовой микропроцессорной системой;
- проектирования микропроцессорных устройств для контроля, диагностики,
восстановления и поиска информации, схем сопряжения микроЭВМ, схемы
расширения оперативной памяти, адресного взаимодействия устройств.
Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного
стандарта и рассчитана на объем 115 учебных часов. Примерное распределение
75
учебных часов по видам занятий: лекций - 65 часов, лабораторных работ - 35
часов, практических занятий - 15 часов.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. БАЗИСЫ МИКРОСИСТЕМ
Тема 1.1. ВВЕДЕНИЕ
Исторический очерк развития вычислительной техники. Предпосылки
возникновения микропроцессоров. Микропроцессор как продукт соединения
двух технологий. Роль и место микросистемотехники в современной науке и
технике. Термины и определения.
Тема 1.2. ОСНОВНЫЕ БАЗИСЫ МИКРОСИСТЕМ
Функциональные и комбинационные структуры, микропроцессорные
структуры, матричные цифровые структуры.
Металл-диэлектрик-полупроводниковые (МДП) структуры; транзисторнотранзисторная логика (ТТЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), инжекторноинжекционная логика (ИИЛ) в структурах; эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ),
эмиттерно-эмиттерная связанная логика (ЭЭСЛ) в структурах, в триггерных
структурах.
Тема 1.3 ИНТЕРФЕЙС МПС. МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АППАРАТ
Понятие интерфейса. Модель микропроцессорной системы (МПС) с
тремя шинами. Функции шины адреса (ША), шины данных (ШД), шины
управления (ШУ), временные диаграммы операций записи чтения информации
в МПС между микропроцессором и запоминающим устройством (ЗУ) и МП и
устройством ввода-вывода (УВВ). Системы счисления. Алгоритм системы
счисления. Десятичная система счисления. Двоичная система счисления.
Восьмеричная система счисления. Шестнадцатеричная система счисления.
Перевод из одной системы счисления в другую.
Тема 1.4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
В МПС И микроЭВМ
Двоичная арифметика. Формы представления чисел. Числа с
фиксированной точкой. Числа с плавающей точкой. Достоинства и недостатки
представления чисел.
Двоичная арифметика в прямом, обратном и дополнительных кодах.
Сложение и вычитание, умножение и деление. Арифметика повышенной
точности. Арифметика с плавающей запятой.
Тема 1.5. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА
Структура типового микропроцессора; взаимосвязь различных основных
блоков МП БИС. Основные блоки МП БИС. Архитектурные возможности
основных типов МП. Архитектуры типовых 4,- 8,- 16,- 32-разрядных
микропроцессоров.
76
Тема 1.6. КЛАССИФИКАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
ПО ОРГАНИЗАЦИИ
Классификация микропроцессоров по конструктивному признаку,
назначению, виду обрабатываемых сигналов, характеру временной организации
работы, способу реализации команд; их особенности. Характеристики МП.
Энергетические; электрические динамические параметры МП БИС.
Тема 1.7. РЕАЛИЗАЦИЯ ТИПОВЫХ ФУНКЦИЙ
Система
команд
микропроцессора.
Классификация
команд
микропроцессора. Виды адресации. Структура и форматы команды МП. Языки
программирования. Счет и временная задержка. Передача данных. Система
команд 8, - 16, - 32-разрядных микропроцессоров. Иллюстрация выполнения
отдельных команд микропроцессоров при помощи временных диаграмм.
Раздел 2. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Тема 2.1. СТРУКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
Организация микропроцессорных систем. Структура типовой МПС.
Классификация МПС. Характеристики МПС. Особенности МПС, их недостатки
и достоинства. Архитектура МПС.
Тема 2.2. ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ МПС
Основные характеристики систем памяти. Классификация микросхем
памяти. Статические и динамические микросхемы
памяти. Характеристики
полупроводникового запоминающего устройства. Организация оперативного
запоминающего устройства (ОЗУ) и постоянного запоминающего устройства
(ПЗУ) в составе МПС. Иллюстрация режимов их работы при помощи
временных диаграмм.
Тема 2.3. ОРГАНИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В МП
Принципы проектирования систем обработки информации на основе больших
интегральных схем. Функции, реализуемые арифметическо-логическим
устройством
(АЛУ).
Типовая
структура
обрабатывающей
части
микропроцессора. Типовая структура обрабатывающей части МП с цепями
сдвига и переноса. Расширенная структура обрабатывающей части типового
МП на основе АЛУ.
Тема 2.4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОМ
Организация процесса управления в типовом МП; микропрограммный
способ организации управления. Структура типового МП с расширенной
организацией управления.
Тема 2.5. ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА МПС
Интерфейс МПС с динамическим ОЗУ. Структура динамических ОЗУ.
Мультиплексирование входов адреса. Запись и считывание данных из ОЗУ.
Регенерация динамического ОЗУ. Сопряжение динамического ОЗУ с МП.
77
Организация интерфейса со схемами КМОП- (комплиментарная технология
МОП) и ЭСЛ-серий. Логическая серия КМОП-интегральных схем. Организация
интерфейса между устройствами на основе ТТЛ ИС и устройствами на основе
КМОП ИС, ЭСЛ. Интерфейсирование ТТЛ и ЭСЛ ИС.
Тема 2.6. РАБОТА СТАТИЧЕСКОГО ОЗУ МПС
Повышение быстродействия КЭШ-памяти (быстрая буферная память) МПС.
Система с КЭШ-памятью. КЭШ-память с повышенным быстродействием.
Тема 2.7. ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА СО СХЕМАМИ, РАБОТАЮЩИМИ С
СИГНАЛАМИ НЕ ТТЛ-УРОВНЕЙ
Формирование положительных и отрицательных импульсов. Ввод
нестандартных (не ТТЛ) сигналов. Оптоэлектронные пары. Использование
оптических изоляторов при организации интерфейса с МП.
Раздел 3. ОРГАНИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ
Тема 3.1. ОРГАНИЗАЦИЯ 8-РАЗРЯДНОГО МП INTEL 8085, КР 580
Архитектура, характеристики МП: Intel 8085, КР и их модификаций.
Назначение управляющих входов. Структурная схема, принцип работы. Запуск
МП; стек; функциональное назначение элементов МП. Временные диаграммы.
Тема 3.2. ОРГАНИЗАЦИЯ 16-РАЗРЯДНОГО МП
Архитектура; характеристики МП 8080/8086 фирмы Intel и ее аналогов.
Назначение управляющих входов. Структурная схема, принцип работы МП.
Функциональное назначение элементов МП. Временные диаграммы.
Тема 3.3. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ КОМПЛЕКТ Z-80
Состав, назначение МПК Z-80. Архитектура ЦПЭ. Характеристики БИС
комплекта, назначение, система команд, логическая организация. Особенности
работы, временные диаграммы.
Тема 3.4. АРХИТЕКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МП ФИРМЫ INTEL 286, 386, 486.
Архитектура МП 286,386, 486 фирмы Intel. Логическая организация.
Система команд. Структурные схемы. Принцип их работы. Отличительные
особенности. Временные диаграммы.
Тема 3.5 ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МП ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ
Архитектура МП: Intel Celeron 466, AMD K-6 III 400 МГц, Р-6, Strong
ARM, Pentium III 600 МГц, IA64, Mersed. Логическая организация. Система
команд. Структурные схемы. Принцип их работы. Отличительные особенности.
Временные диаграммы.
78
Тема 3.6. ОДНОКРИСТАЛЬНЫЕ МИКРОЭВМ
Общие сведения, структурная организация однокристальных микроЭВМ
(ОМЭВМ) семейства МК-48, МК-51. Память данных, память программ, каналы
ввода-вывода. Система прерываний. Устройство управления и синхронизации.
Блок последовательного интерфейса и прерываний. Режимы работы.
Временные диаграммы. Отличительные особенности. Применение ОМЭВМ.
Характеристики.
Тема 3.7. КМОП-МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ СЕМЕЙСТВА UPI-42
Общие сведения. Структурная схема микроконтроллера. Карта программной
памяти. Карта распределения памяти данных. Устройство генератора и
синхронизации. Таймер-счетчик. Система прерываний. Системные интерфейсы
8080, 8085AH, 8088, 8086, 8048. Каналы ввода-вывода.
Раздел 4. МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Тема 4.1 ПОНЯТИЕ О КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ
Концепция построения сети. Локальные вычислительные сети.
Расширение компьютерных сетей. Одноранговые сети. Сети на основе сервера.
Комбинированные сети.
Тема 4.2 КОМПОНОВКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Топология сети. Базовые топологии; «шина», «звезда», «кольцо»;
концентраторы, активные концентраторы, пассивные концентраторы,
гибридные концентраторы. Комбинированные топологии; «звезда-шина»,
«звезда-кольцо».
Тема 4.3 ПРОВЕРКА МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Проверочная работа и проблемы в сетях: сети с топологией «шина», сети
на базе концентратора, сети с топологией «кольцо». Планирование сети. Выбор
типа сети. Выбор топологии сети.
Тема 4.4. МАГИСТРАЛИ МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Основные группы кабелей (магистралей). Коаксиальный кабель. Типы
коаксиальных кабелей. Классы коаксиальных кабелей. Оборудование для их
подключения. Витая пара. Неэкранированная витая пара. Экранированная витая
пара. Компоненты (магистральной) кабельной системы. Оптоволоконный
кабель. Передача сигналов. Узкополосная передача. Широкополосная передача.
Кабельная система IBM.
Тема 4.5. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ
Беспроводная среда, возможности, применение. Типы беспроводных
сетей. Локальные вычислительные сети. Точки доступа. Способы передачи.
Передача “Точка-точка”. Расширенные локальные сети. Многоточечное
беспроводное соединение. Беспроводные мосты дальнего действия. Мобильные
сети. Пакетное радиосоединение. Сотовые сети. Микроволновые системы.
79
Тема 4.6. МИКРОСИСТЕМА СЕТЕВОГО АДАПТЕРА
Назначение платы сетевого адаптера. Подготовка данных. Сетевой адрес.
Передача и управление данными. Параметры конфигурации. Прерывание.
Базовый порт ввода-вывода. Базовый адрес памяти. Выбор трансивера.
Совместимость. Архитектура шины данных. Сетевые кабели и соединители.
Производительность сети, специализированные платы сетевого адаптера.
Платы сетевого адаптера беспроводных сетей. Проверочная работа. Проблемы
в сетях.
Тема 4.7. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ МУЛЬТИПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ
Сетевая модель OSI и IEEE Project 802. Работа сети. Модель OSI.
Многоуровневая архитектура. Взаимодействие уровней модели OSI.
Прикладной уровень. Представительский уровень. Сеансовый уровень.
Транспортный уровень. Сетевой уровень. Канальный уровень. Физический
уровень. Модель IEEE Project 802. Категории. Расширения модели OSI.
Управление логической связью. Управление доступом к среде.
Тема 4.8. ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ ПО МУЛЬТИПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЕ
Назначение методов доступа. CSMA/CD. CSMA/CA. Управление
трафиком. Множественный доступ с контролем несущей и обнаружение
коллизий. Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением
коллизий. Доступ по передаче маркера. Доступ по приоритету запроса.
Тема 4.9. МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ
Архитектура Ethernet. Происхождение. Основные характеристики.
Стандартные IEEE на 10 Мбит/с. 10 Base T, 10 Base 2, 10 Base 5.
Комбинирование «толстого» и «тонкого» Ethernet. Стандарты IEEE на 100
Мбит/с. 100 VC-Any LAN. Спецификация. Топология. 100 Base X Ethernet.
Архитектура Token Ring. Обзор, основные характеристики. Структура.
Функционирование. Аппаратные компоненты. Концентратор. Емкость
Магистральная система. Архитектура Apple. Talk и ArcNet. Функционирование.
Аппаратное обеспечение.
Тема 4.10. СОЗДАНИЕ МУЛЬТИПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
Расширение локальных сетей. Репитеры, принцип работы. Отсутствие
изоляции и фильтрации. Мосты, принцип работы. Создание таблицы
маршрутизации. Создание сетевого трафика. Удаленные мосты. Различие
между мостами и репитерами. Маршрутизаторы, принцип работы. Типы
маршрутизаторов. Различие между мостами и маршрутизаторами. Мосты маршрутизаторы. Шлюзы, принцип работы. Передача данных. Аналоговая
связь. Коммутируемые линии. Типы коммутируемых линий. Выделенные
аналоговые линии. Подавление помех. Цифровая связь. Мультиплексирование.
Деление канала. Подавление помех. Сети с коммутацией пакетов. Принцип
работы. Виртуальные каналы. Методы решения проблем, связанных с сетевым
программным и аппаратным обеспечением.
80
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Системы счисления, применяемые в цифровой технике.
2. Двоичная арифметика, арифметические операции МП.
3. Развитие архитектуры, логической структуры МП.
4. Оценка возможностей и обоснование выбора архитектуры МП.
5. Анализ команд и режимов адресации памяти МПС.
6. Программирование МПС на языках высокого и низкого уровней.
7. Элементная база и схемотехника средств сопряжения МПС.
8. Узлы цифровых и цифроаналоговых устройств МПС.
9. Средства сопряжения устройств ввода с МПС.
10. Моделирование МПС на МПК отечественного и зарубежного
производства.
11. Составление программ, обеспечивающих работу МПС на базе МПК, Z80, Intel 8080, 8085, 8086, 286, 386, 486, Pentium.
12. Планирование мультимикропроцессора (ММПС): выбор типа сети, выбор топологии сети, сети с топологией “шина”, “кольцо”.
13. Планирование ММПС: Магистральная система, выбор среды передачи,
выбор платы сетевого адаптера.
14. Проблемы в ММПС и методы их решения: методы доступа.
15. Проектирование ММПС.
16. Эксплуатация ММПС.
17. Реализация отказоустойчивости ММПС.
18. Расчет производительности ММПС.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Ознакомление с работой на микроЭВМ. Пошаговый режим
функционирования операционного устройства МПС.
2. Регистры микропроцессора. Команды загрузки регистров. Команды
пересылки. Методы адресации памяти. Команды работы с памятью.
3. Выполнение арифметических операций.
4. Выполнение логических операций.
5. Команды циклического сдвига и сдвига с переносом.
6. Команды сравнения.
7. Команды безусловного и условного переходов.
8. Подпрограмма и стек. Команды ввода-вывода.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
И ПРОГРАММ
1. Локальная вычислительная сеть, с сетевой операционной системой
WINDOWS -NT Server.
2. IDaSS V0. 08d, Mini - IDaSS V7. 00 - интерактивная система
проектирования ММПС и МПС.
3. Учебный микропроцессорный комплект (УМК) – микро-ЭВМ.
4. Пакет программ для УМК на языке низкого уровня.
81
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Бутыльский Ю. Т. Вычислительная и микропроцессорная техника. М.:
Радио и связь, 1998.
2. Каган Б.М. Основы проектирования МПУ автоматики. М.: Сфера, 1993.
3. Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем. М.: Бином,
1997.
4. Преснухин Л. Н. Микропроцессоры Т.1-3. М.: Высш. шк., 1987.
5. Янсен Й. Курс цифровой электроники Т.1-4. М.: Мир, 1987.
6. Шматин А.С. Лабораторный практикум Ч.1: Микропроцессоры. Мн.:
БГУИР, 1994.
7. Шматин А.С. и др. Лабораторный практикум. Ч. 2: Микропроцессоры.
Програм-мное обеспечение.Мн.: БГУИР, 1994.
8. Клингман Э. Проектирование специализированных микропроцессорных
систем. М.: Бином, 1997.
9. IDaSS for ULSI - Практическое руководство, 1997.
10. Sheldon, Tom, ed LAN Times Encyclopedia of Networking. New York:
Osborne McGraw -Hill, 1994.
11. Tannenbaum, Andrew S. Computer Networks, Second Edition. Englewood
Cliffs: Prentice Hall, 1996.
12. Microsoft Corporation. Компьютерные сети. Учебный курс. Channel Traiding
–1997.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. Хвощ С. Микропроцессоры в системах автоматического управления. – М.:
Машиностроение, 1987.
2. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам в
электронике. - М.: Энергоатомиздат, 1993.
3. Хорвиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1996 .
4. Мик Дж., Брик Дж. Проектирование микропроцессорных устройств с
разрядно-модульной организацией. - М.: Мир, 1984.
5. Руководство по архитектуре IBM PC AT. -М.: Консул, 1992.
6. Фрир Дж. Построение вычислительных систем на базе перспективных
микропроцессоров. - М.: Мир, 1990.
7. Фергусон Дж. Обслуживание микропроцессорных систем. -М.: Мир, 1989.
8. Коффрон Дж. Расширение микропроцессорных систем. -М.: Мир, 1992.
9. Гук М., Юрьев В. Процессоры Pentium ІІІ, Athlon и др. СПБ.: Питер, 2000.
10. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. - М.: Нолидж,
2000.
11. Белоус А.И., Пономарь В.Н. Схемотехника биполярных микросхем для
высокопроизводительных систем обработки информации. Мн: Полифакт, 1998.
12. Гусев В.М., Гусев Ю.Г. Электроника и микропроцессорная техника.- М.:
Высш. шк., 2004.
82
СОДЕРЖАНИЕ
Физика полупроводниковых приборов……………………………………………3
Технологические процессы микроэлектроники………………………………….17
Системы автоматизированного проектирования
интегральных микросхем………………………………………………………….33
Физика низкоразмерных систем…………………………………………………..45
Наноэлектроника…………………………………………………………………...53
Физика твердого тела………………………………………………………………59
Микросистемотехника……………………………………………………………..73
83