1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью курса “Теоретические основы микроэлектроники” является изучение физических
явлений, лежащих в основе функционирования элементов интегральных схем, с их
параметрами и характеристиками.
При изучении курса студент получает знания:
- по основным физическим законам, описывающим поведение носителей заряда в
полупроводнике при воздействии полем, светом и пр. и образующих
феноменологическую
систему
уравнений,
лежащую
в
основе
расчета
полупроводниковых элементов;
- по принципам функционирования основных элементов интегральных схем разной
физической природы (полупроводниковые, оптоэлектронные, магнитные);
- по применению указанных законов для создания физико-топологической модели
элементов и исследованию последней методами численного машинного анализа с
целью получения характеристик элементов и оптимизации их структуры.
После освоения материала курса студент должен уметь применить полученные знания
при проектировании интегральных схем различных типов.
2. СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА
5 семестр, 72 часа
2.1. Введение.
/ 2 / с. 8-18; / 6 / с. 5-9
2час.
Основные этапы развития элементной базы электронных средств. Микроэлектроника как
средство решения основных противоречий в создании современной электронной
аппаратуры. Цели, задачи и содержание курса; его место в общем комплексе подготовки
специалистов.
2.2. Основы электропроводности твердых тел.
/1/ с. 68-78, 81-95, 103-110, 164-171; /4/ с. 139-167, 204-216, /3/ с. 58-63
14 час.
Металлы, полупроводники, диэлектрики с позиций знаний теории твердого тела.
Собственные и примесные полупроводники. Статистика носителей заряда в
полупроводниках, распределения Максвелла-Больцмана и Ферми-Дирака. Расчет
концентрации носителей заряда. Закон действующих масс. Температурные зависимости.
Дрейф носителей заряда в электрическом поле. Подвижность носителей. Удельная
электропроводность.
Неравновесные носители заряда: генерация и рекомбинация, время жизни.
Диффузионный ток. Уравнение диффузии. Соотношение Эйнштейна. Диффузионная
длина.
Уравнение непрерывности.
2.3. Контактные явления.
/1/ с. 194-195, 201-209, 221-246; /4/ с. 231-261
12 час.
Классификация контактов. Контакт металл-полупроводник: работы выхода, контактная
разность потенциалов, выпрямление на контакте металл-полупроводник, диод Шотки.
Процессы на контакте двух полупроводников. Прямой и обратный ток через переход;
понятие об инжекции и экстракции. Работа p-n-перехода в импульсном режиме. Пробой p-nперехода. Приборы на основе p-n-перехода и связь их характеристик с параметрами
перехода.
2.4. Биполярный транзистор.
/ 1/ с. 257-268; /2/ с. 110-130
10 час.
Механизм работы биполярного транзистора и его характеристики. Особенности свойств
интегральных транзисторов и связь их свойств со структурой. Схемы включения и режимы
работы биполярных транзисторов. Особенности работы в режиме насыщения. Транзистор
как ключ. Транзистор с барьером Шотки. Диодные включения транзистора и особенности их
параметров.
2.5. Эффект поля и полевые транзисторы.
/3/ с.319-332, /7/ с. 157-174, /2/ с. 130-140, /5/ с. 20-56
12 час.
Поверхостные состояния полупроводника, уровни Тамма, приповерхностный заряд,
искривление энергетических зон, поверхностная проводимость.
МДП-транзисторы, принцип работы и варианты реализации. Основные параметры и
характеристики. МНОП-структуры. Варианты ключевых схем на МОП-транзисторах,
КМОП-инвертор – особенности его реализации и характеристик. Переходные
характеристики МОП-ключей. Приборы с зарядовой связью.
Полевые транзисторы с управляющим переходом (ПТУП), принцип работы и
особенности характеристик. ПТУП на GaAs с барьером Шотки. Принципы создания
микромощных схем на комплементарных парах ПТУП.
2.6. Фотоэлектрические явления и приборы на их основе.
/1/ с.171-180, 247-256
5 час.
Поглощение света полупроводником, фотопроводимость, фоторезистор и его
характеристики. Р-n- переход под действием света, фотогальванический эффект и приборы
на его основе. Излучение света p-n-переходом; светодиод и полупроводниковый лазер.
Оптоэлектронные устройства и принципы оптоэлектроники.
2.7. Устройства на цилиндрических магнитных доменах.
/9/ с.19-22, 71-75, 324-331
5 час.
Типы магнитных свойств вещества и магнитные эффекты. ЦМД и их свойства.
Устройства управления ЦМД и возможность создания устройств обработки информации на
их основе.
2.8. Исследование элементов интегральных схем на основе их
физико-топологической модели.
/5/ с.3-71, /6/ с. 10-29, /7/ с. 8-25, 29-31, 89-102
14 час.
Феноменологические уравнения и структура полупроводникового прибора как основа
его физико-топологической модели. Цель и методы ее исследования. Преобразование
основных уравнений в разностную форму. Система разностных уравнений и возможные
алгоритмы ее численного решения на ЭВМ.
Метод блочной релаксации как пример возможной эффективной методики решения.
Решение системы на примере структуры ПТУП. Переход от решения фундаментальных
уравнений к расчету характеристик и параметров прибора. Интерпретация результатов.
3. ОСНОВНАЯ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
3.1. Основная литература.
1. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. М.: ВШ, 1986.
2. Митрофанов О.В., Симонов Б.М., Коледов Л.А. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники. М.: ВШ, 1987.
3. Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. С.р., 1971.
4. Новиков В.В. Теоретические основы микроэлектроники. М.: ВШ, 1972.
3.2. Дополнительная литература.
5. Механцев Е.Б., Кильметов Р.С. Исследование характеристик элементов интегральных
схем на основе их физико-топологической модели. Таганрог: ТРТУ, 1998.
6. Носов Ю.Р., Петросянц К.О., Шилин В.А. Математические модели элементов
интегральной электроники. М., С.р., 1976.
7. Кремлев В.А. Физико-топологическое моделирование структур элементов БИС. М.:
ВШ, 1990.
8. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых
устройств. М.: ВШ, 1991.
9. Преображенский А.А., Бишард Е.Г. Магнитные материалы и элементы. М.: ВШ, 1986.
4. ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Тематика лабораторных работ:
4.1. Схемы включения и режимы работы биполярного транзистора.
4.2. Исследование работы биполярного транзистора в ключевом режиме.
4.3. Исследование принципов построения микромощных схем на полевых транзисторах.
4.4. Исследование диодных схем включения биполярного транзистора.
Целью работ является приобретение более глубоких и детальных представлений при
изучении основных параметров и характеристик элементов ИС и элементарных структур на
их основе.