ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ» Согласовано Утверждаю ___________________ Руководитель ООП по специальности 210601 декан ЭФ проф. В.А. Шпенст _______________________ Зав.кафедрой ЭС проф. В.А. Шпенст РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРО И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ» Специальность: 210601–радиоэлектронные системы и комплексы Специализация: Радиолокационные системы и комплексы Квалификация выпускника: специалист Форма обучения: очная Составитель: доцент каф. ЭС О.В.Денисова САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 1. Цели и задачи дисциплины Целью дисциплины является формирование знаний о физических принципах работы приборов микро- и наноэлектроники изучение основных физических, физикохимических процессов и закономерностей сплошных сред, которые используются при проектировании, производстве и эксплуатации электронных средств.Формирование навыков экспериментальных исследований материалов и приборных структур электронной, микроэлектронной техники, наноэлектроники. 2. Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина относится к базовой части математического и естественно-научного цикла С.3 основной образовательной программы подготовки специалистов 210601 «Радиоэлектронные системы и комплексы». Для освоения этой учебной дисциплины требуется предварительная подготовка в объёме полной средней школы, освоение дисциплин: «Физика», «Математика», «Химия». Дисциплина является предшествующей для освоения отдельных разделов учебных дисциплин «Электроника», «Основы теории цепей», «Микроэлектроника», «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Интегральные устройства радиоэлектроники», а также для выполнения выпускной квалификационной работы. 3. Требования к результатам освоения дисциплины Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций: общекультурных компетенций(ОК): способностью к восприятию, анализу, обобщению информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1); способностью логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь (ОК-2); профессиональных, в том числе общепрофессиональных: способностью выявить естественно-научную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2); готовностью учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3); способностью владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик радиотехнических цепей (ПК-4); способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5); способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6); в научно-исследовательской деятельности: способностью изучать и использовать специальную литературу и другую научно-техническую информацию, отражающую достижения отечественной и зарубежной науки и техники в области радиотехники (ПК-15); 2 способностью решать задачи оптимизации существующих и новых технических решений (ПК-16); способностью к реализации программ экспериментальных исследований, включая выбор технических средств и обработку результатов (ПК-17); В результате изучения дисциплины студент должен: Знать: физические основы квантовой механики, явления в полупроводниках, контактные и поверхностные явления, физические принципы функционирования приборных структур микро- и наноэлектроники. Уметь: применять полученные знания при решении задач проектирования и технологии радиоэлектронных средств: - выбирать оптимальные электронные компоненты при проектировании систем; -определять необходимые средства обеспечения надежности электронных систем с учетом физических особенностей входящих в систему электронных компонентов; -учитывать физическую структуру электронных компонентов при разработке технологии производства радиоэлектронных средств; -проводить анализ производства радиоэлектронных средств с учетом физических явлений, протекающих в диодах, транзисторах и интегральных схемах. Владеть: - методами расчета основных характеристик электронных компонентов в составе радиоэлектронных систем; - методами оценки паразитных явлений, возникающих при интеграции электронных компонентов в сложное изделие микроэлектроники; - основами прогнозирования развития технического уровня интегральных схем с учетом физических явлений в электронных компонентах изделий микроэлектроники и наноэлектроники. 4. Объём дисциплины и виды учебной работы Общая трудоёмкость учебной дисциплины составляет 5 зачётных единиц. Всего 180 Семестры 3 54 Аудиторные занятия: в том числе Лекции Практические занятия (ПЗ), в том числе в интерактивной форме: Лабораторные работы Самостоятельная работа: в том числе Контрольные работы Курсовой проект Другие виды самостоятельной работы Подготовка к лекциям, практическим, лабораторным работам Работа с литературой Вид промежуточной аттестации (зачёт, экзамен) Общая трудоёмкость час. 81 33 15 36 18 - 45 15 15 33 99 18 18 15 81 Вид учебной работы Всего часов 4 126 30 180 8 7 10 зачет 8 36 экзамен 126 54 3 зач. ед. 5 1,5 3,5 5. Содержание дисциплины 5.1. Содержание разделов дисциплины № Наименование раздела п/п дисциплины 1 2 1 ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И СТАТИСТИКИ 2 СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ Содержание раздела 3 Физические основы квантовой механики. Волновые свойства микрочастиц. Волновая функция. Волновое уравнение Шредингера и его применение к описанию движения свободной частицы. Фазовая и групповая скорости. Прохождение микрочастиц через потенциальный барьер. Туннельный эффект. Элементы статистической физики. Кристаллическая решетка. Понятие о нормальных колебаниях кристаллической решетки. Корпускулярное представление нормальных колебаний решетки. Фононы. Структура идеальных кристаллов. Типы химической связи в твердых телах. Элементы зонной теории твердых тел. Зонный характер энергетического спектра электронов в кристалле. Строение энергетического спектра металлов, полупроводников и диэлектриков в свете зонной теории. Примесные уровни. Концентрация свободных носителей в полупроводниках. Вырожденные полупроводники. Дефекты реальных кристаллов. Нестехиометрия и структурные дефекты. Влияние дефектов на электронное строение и свойства твердого тела. Примесные уровни. Собственные и примесные полупроводники. Типы легирующих примесей. Собственная и примесная проводимость. Явления генерации и рекомбинации носителей заряда. Скорость рекомбинации. Излучательная и безызлучательная рекомбинация. Уравнение непрерывности для полупроводников. Поверхностные электронные состояния твердого тела. Поверхностные явления. Приповерхностный слой объемного заряда в полупроводниках. Некристаллические (аморфные и стеклообразные) материалы. Ближний и дальний порядок в атомном строении. Особенности энергетического спектра электронов в некристаллических твердых телах. Электронная проводимость твердого тела, 4 № п/п Наименование раздела дисциплины 3 КОНТАКТНЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ 4 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ НАНОЭЛЕКТРОНИКА 5 Содержание раздела обусловленная свободными носителями заряда. Подвижность носителей заряда. Температурная зависимость проводимости металлов, полупроводников и диэлектриков. Механизмы рассеяния электронов в твердых телах. Прыжковая электропроводность в примесных полупроводниках и некристаллических твердых телах. Эффекты сильного поля. Разогрев электронного газа, горячие электроны. Эффект Ганна. Термоэлектронная ионизация по Френкелю. Ударная ионизация. Электростатическая ионизация. Фотоэлектрические свойства твердого тела. Неравновесные носители заряда в полупроводниках. Фотопроводимость полупроводников. Работа выхода электронов из металлов и полупроводников. Термоэлектронная эмиссия. Контактная разность потенциалов. Условия образования барьера Шоттки. Контакты металл-полупроводник. Выпрямляющие и омические контакты в системе метллполупроводник. Диоды Шоттки. Электроннодырочный переход (р-n-переход). Гомо- и гетеропереходы. Выпрямляющее действие р-nперехода и диоды на его основе. Емкость перехода в зависимости от приложенного внешнего напряжения. Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Излучательная рекомбинация в р-n-переходе. Светодиоды и полупроводниковые лазеры. Эффект поля. Структуры металл-диэлектрикполупроводник и полевые транзисторы на его основе. Принцип действия полевого транзистора. Физические процессы на поверхности полупроводников. Электрические заряды и энергетические состояния на поверхности полупроводника, явление инверсии проводимости, влияние состояния поверхности на электрические характеристики Основные виды полупроводниковых диодов. Биполярные транзисторы. Полевые транзисторы. Физическое масштабирование полупроводниковых структур. Физические и параметрические ограничения при масштабировании элементов интегральных схем. Объекты наноэлектроники. Пространственные масштабы 5 № п/п Наименование раздела дисциплины Содержание раздела наноэлектроники. Общая структура наноэлектронных приборов. 5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами № Наименование п/п обеспечиваемой (последующей) дисциплины 1. 2. 3. Номера разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемой (последующей) дисциплины 1 2 3 4 5 6 Электроника + + + + + Микроэлектроника + + + + + + + + + + + Интегральные устройства радиоэлектроники 5.3. Разделы дисциплин и виды занятий № п/п 1. 2. 3. 4. 5. Наименование раздела дисциплины Основы квантовой механики и статистики Структура и электронные свойства твердых тел Контактные и поверхностные явления Физические основы работы полупроводниковых приборов Микроминиатюризация изделий микроэлектроники. Наноэлектроника. Лекц. Практ. Лабор. зан. работы СРС* Всего час. 4 - - 8 12 6 3 8 10 27 8 4 10 20 42 10 4 10 41 65 5 4 5 20 34 Примечание: СРС – самостоятельная работа студентов 6. Лабораторный практикум № п/п 1. 2. 3. № раздела дисциплины Раздел 2.Структура и электронные свойства твердых тел Раздел 3. Контактные и поверхностные явления Раздел 4. Физические основы работы полупроводниковых приборов Наименование лабораторных работ 1.Явления электронного переноса в диэлектрических пленках и конденсаторных структурах на их основе. 2.Пробой и электрическое старение диэлектриков 3.Электропроводность поликристаллических полупроводников. 4.Позисторный эффект в полупроводниковойсегнетокерамике. 5.Фазовый переход диэлектрик-металл. 6.Физические явления на контакте металл-полупроводник. 7.Физические явления на гетеропереходе полупроводникполупроводник 6 7. Практические занятия № п/п № раздела дисциплины 1. 3 2. 4 Электрические свойства полупроводниковых материалов. Расчет основных характеристик приборных структур 3. 5 Методы и технологии формирования нанообъектов Тематика практических занятий (семинаров) Трудоемкость (час.) 4 6 5 8. Примерная тематика курсовых проектов. Учебным планом предусмотрено выполнение курсовой работы на тему «Расчет внутренней структуры полевого транзистора с изолированным затвором». 9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины: 9.1. Основная литература: 1. Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники: учеб.пособие для вузов/ И.П. Степаненко. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с. 2. Гуртов, В.А. Твердотельная электроника: учеб.пособие/ В.А. Гуртов. – М.: Техносфера, 2007. – 408 с. 3. Пасынков, В.В. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов /В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. – СПб.: Лань, 2003,2006. – 480 с. 4. Сорокин, B.C. Материалы и элементы электронной техники: учебник для вузов: в 2т./ B.C. Сорокин, Б.Л.Антипов, Н.П. Лазарева.-М.: Академия, 2006.-376 с. 5. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: учебник для вузов / В.В. Пасынков, В.С.Сорокин. - Изд. 5-е, стер. - СПб.: Лань, 2003.-367с. 6. Парфенова Е.Л., Физические основы микро- и наноэлектроники/ Е.Л.Парфенова., Л.А. Теретьева, Хусаинов М.Г. – М.: Феникс, 2012.- 240 с. 9.2. Дополнительная литература: 1.Зебрев Г.И., Физические основы кремниевой нанотехнологии: учеб. Пособие/ М.: МИФИ, 2008.- 124 с. 2. Шалимова К.В. Физика полупроводников.. 2010: Лань, СПб., 384 c. 3. Пул Ч., Нанотехнологии/ Ч. Пул, Ф.Оуэнс.- изд.4-е испр. И доп..- М.:Техносфера, 2009.- 336 с. 4. http://www.technosphera.ru 9.3. Доступ к полнотекстовым базам данных из сети Интранет СПГГУ: - БД JSTOR полнотекстовая база англоязычных научных журналов www.jstor.org - Научная электронная библиотека www.eLibrary.ru (доступ к полным текстам ряда научных журналов с 2007 по 2011 г. ) 9.4. Электронные ресурсы других библиотек: 1. Национальные отечественныеи зарубежные библиотеки Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru 7 2. Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru 3. Всероссийская государственная библиотека иностранной литературы им. М.И.Рудоминоhttp://www.libfl.ru 4. Библиотека Академии Наук http://www.rasl.ru 5. Библиотека РАН по естественным наукам http://www.benran.ru 6. Государственная публичная научно-техническая библиотека http://www.gpntb.ru 7. Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского отделения РАН http://www.spsl.nsc.ru/ 8. Центральная научная библиотека Дальневосточного отделения РАН http://lib.febras.ru 9. Центральная научная библиотека Уральского отделения РАН http://www.uran.ru 10. Библиотека Конгресса http://www.loc.gov/index.html 11. Британская национальная библиотека http://www.bl.uk 12. Французская национальная библиотека http://www.bnf.fr 13. Немецкая национальная библиотека http://www.ddb.de 14. Библиотечная сеть учреждений науки и образования RUSLANethttp://www.ruslan.ru:8001/rus/rcls/resources 15. Центральная городская универсальная библиотека им. В.Маяковскогоhttp://www.pl.spb.ru 16. Научная библиотека им. М.Горького Санкт-Петербургского Государственного университета (СПбГУ) http://www.lib.pu.ru Фундаментальная библиотека Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета (СПбГПУ) http://www.unilib.neva.ru/rus/lib/ 10. Материально-техническое обеспечение дисциплины: Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для презентаций лекций, видеофайлов практических занятий и демонстрационных лабораторных работ. Проведение лабораторных занятий требует наличия специализированных учебных стендов по заявленной номенклатуре лабораторных работ, оснащённых современной контрольно-измерительной аппаратурой. Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки специалиста 210601«Радиотехнические системы и комплексы». 11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины: Изучение дисциплины производится в тематической последовательности. Студенты очной формы обучения работают в соответствии с временным режимом, установленным учебным рабочим планом для данных форм обучения. Информация о временном графике работ сообщается преподавателем на установочной лекции. Преподаватель дает указания также по организации самостоятельной работы студентов, срокам сдачи контрольных работ, выполнения лабораторных работ и проведения тестирования. Дисциплина «Физические основы микро- и наноэлектроники», как указывалось выше, является базовой дисциплиной. В связи с этим, приступая к ее изучению, необходимо восстановить в памяти основные сведения из курса общей физики, математики и указанных выше специальных дисциплин. Методика и последовательность изучения дисциплины соответствуют перечню содержания разделов дисциплины. Материал каждой темы насыщен математическими соотношениями, физическая интерпретация которых зачастую достаточно сложна, поэтому изучение материала требует серьезной, вдумчивой работы. 8 Изучать дисциплину рекомендуется по темам, предварительно ознакомившись с содержанием каждой из них по программе учебной дисциплины. При первом чтении следует стремиться к получению общего представления об изучаемых вопросах, а также отметить трудные и неясные моменты. При повторном изучении темы необходимо освоить все теоретические положения, математические зависимости и выводы. Рекомендуется вникать в сущность того или иного вопроса, но не пытаться запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне сущности, а не на уровне отдельных явлений, способствует наиболее глубокому и прочному усвоению материала. Для более эффективного запоминания и усвоения изучаемого материала, полезно иметь рабочую тетрадь (можно использовать лекционный конспект) и заносить в нее формулировки законов и основных понятий, новые незнакомые термины и названия, формулы, уравнения, математические зависимости и их выводы. Целесообразно систематизировать изучаемый материал, проводить обобщения разнообразных фактов, сводить их в таблицы. Подобная методика облегчает запоминание и уменьшает объем конспектируемого материала. До тех пор пока тот или иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий конспект курса будет полезен при повторении материала в период подготовки к экзамену. Разработал: доцент кафедры электронных систем О.В.Денисова 9