Программа курса лекций Введение. Физика полупроводников раздел физики конденсированного состояния. Полупроводники в современной электронике

Вид материала

Программа курса

Содержание Программа курса лекций Программа реферативных семинаров (3 курс, 5 сем., 18 ч.) (3 курс, 6 сем., 16 ч.) II.2. Обратимые структурные фазовые переходы на поверхности полупроводников. IV.2. Влияние внешних воздействий на электронный спектр полупроводников. IV.2. Зависимость электронного спектра от состава твердого раствора полупроводников. V.1. Температурные зависимости концентрации и подвижности носителей заряда. V.2. Квантовые поправки в проводимости. VI.1. Основы эллипсометрии. VI.2. Фотоэлектрические явления на горячих электронах. VII.3. Структура металл-диэлектрик-полупроводник. Полевые транзисторы. Лабораторные работы (3 курс, 5 сем., 54 ч.) (3 курс 6 сем., 48 ч.)

Подобный материал:

• Паспорт специальности 01. 04. 07 – физика конденсированного состояния, 1004.81kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины «Физика конденсированного состояния, термодинамика,, 223.9kb.
• Ён Викторович Методы визуализации кинетики зарождения и роста углеродных наноструктур, 219.01kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности, 322.8kb.
• Лазеры терагерцового диапазона частот на примесных центрах в кремнии и германии 01., 430.6kb.
• Министерство образования Российской Федерации международный университет природы, общества, 1374.95kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика полупроводников., 53.9kb.
• Рабочая программа дисциплины «нелинейные уравнения математической физики» Рекомендовано, 163.22kb.
• Рабочая программа Молекулярная физика Специальность 010400 физика, направление 510400-физика, 92.73kb.
• Аронзон Борис Аронович программа, 67.58kb.

Введение в специальность

Общая характеристика спецкурса
(3 курс, 5 сем., 18 ч., зачёт)
(3 курс, 6 сем., 16 ч., дифф. зачёт)

Профессор Александр Сергеевич Терехов

Спецкурс "Введение в специальность" состоит из восьми разделов, в которых отражено основное содержание курса физики полупроводников. Каждый раздел начинается с установочных лекций. При изучении разделов II-VIII после лекций проводятся реферативные семинары по изучаемой теме и демонстрационные лабораторные работы по этой же теме. На семинарских и лабораторных занятиях, тесно увязанных с лекциями, продолжается более углубленное знакомство с современными задачами физики полупроводников, методами их решения и с современной экспериментальной техникой.

Этот спецкурс наряду с предметным обучением преследует и цель ознакомления с основными направлениями исследований в Институте физики полупроводников СО РАН - базовом институте для студентов кафедры. Такое ознакомление позволяет студентам более осознанно выбрать соответствующие задачи и руководителей дипломных работ.

Программа курса лекций

1. Введение. Физика полупроводников – раздел физики конденсированного состояния. Полупроводники в современной электронике.
   
2. Атомная структура и симметрия кристаллов. Анизотропия физических свойств кристаллов. Способ задания кристал­ло­гра­фи­чес­ких плоскостей и направлений в кристалле. Дефекты кристаллов: точечные дефекты, дислокации, примеси.
   
3. Колебания атомов в твёрдом теле. Модель одномерной цепочки, закон дисперсии. Двухатомная линейная цепочка. Понятие фонона. Концепция квазичастиц. Акустические и оптические фононы. Локальные фононы в кристаллах с дефектами. Комбинационное рассеяние света.
   
4. Электронный спектр твёрдого тела. Расщепление атомных уровней в зоны. Модель почти свободных электронов. Метод сильной связи. Модель электронных связей. Распределение электронов по энергетическим уровням. Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории. Зонная структура некоторых полупроводников (Si, Ge, GaAs). Прямозонные и непрямозонные полупроводники. Концентрация электронов и дырок в зонах. Невырожденные полупроводники. Легированные полупроводники. Появление разрешённых состояний в запрещённой зоне при введении примесей. Компенсация.
   
5. Кинетические явления. Кинетическое уравнение Больцмана. Асимметризация функции распределения квазичастиц внешним воздействием. Проводимость. Малые отклонения от равновесия. Подвижность и механизмы рассеяния. Явления в сильном электрическом поле. Насыщение дрейфовой скорости. Эффект Ганна. Эффект Холла и магнитосопротивление. Диффузия. Соотношение Эйнштейна. Основные уравнения описывающие движение свободных носителей в полупроводниках. Амбиполярная диффузия и амбиполярный дрейф.
   
6. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках. Феноменологическое и микроскопическое описание. Механизмы поглощения света: межзонное поглощение в прямозонных и непрямозонных полупроводниках, примесное поглощение, поглощение на свободных носителях. Фотоэлектрические явления.
   
7. Поверхность полупроводника. Заряд поверхностных состояний, область пространственного заряда. Работа выхода и электронное сродство. Структуры: Полупроводник – металл, p-n переход и полупроводник – диэлектрик – металл.
   
8. Системы пониженной размерности. Двумерный электронный газ, квантовые проволоки и квантовые точки. Концентрация, плотность состояний и проводимость двумерного электронного газа и квантовых проволок. Размерные эффекты в плёнках твёрдых тел. Наноструктуры на основе кремниевых инверсионных слоёв и гетеропереходов. Баллистическая проводимость квантовых нитей. Квантовые точечные контакты. Резонансный туннельный диод. Квантовые ямы и модулированные полупроводниковые структуры. Легированные и композиционные сверхрешётки. Мини-зоны и мини-щели. Блоховские осцилляции. Вольтамперная характеристика квантовой сверхрешётки. Одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады.
   

Программа реферативных семинаров
(3 курс, 5 сем., 18 ч.)
(3 курс, 6 сем., 16 ч.)

Профессор Александр Сергеевич Терехов

II.1. Взаимодействие дефектов в твёрдом теле.

(2.1.1) А. Л. Асеев, В. М. Астахов, «Взаимодействие точечных дефектов с поверхностью кристаллов кремния при облучении в высоковольтном электронном микроскопе», ФТТ том 24, в. 7, стр. 2037-2042 (1982).

(2.1.2) L. Fedina, A. Gutakovskii, A. Aseev, J. Van Landuyt, J. Vanhellemont, “Extended Defect Formation in Si Crystals by Clustering of Intrinsic Point Defects Stuied by in-situ Electron Irradiation in a HREM”, Phys. stat. sol. (a) 171,147 (1999).

II.2. Обратимые структурные фазовые переходы на поверхности полупроводников.

(2.2.1) Б. З. Ольшанецкий, А. А. Шкляев, «Фазовые переходы на чистых поверхностях (320) кремния», ЖЭТФ том. 81, вып. 1(7), стр. 361-367 (1981).

(2.2.2) А. В. Латышев, А. Л. Асеев, «Моноатомные ступени на поверхности кремния», УФН, том 168, №10, 1117 (1998).

III.1. Применение рамановского рассеяния света в исследовании полупроводниковых структур.

(3.1.1) В. С. Горелик, Р. Н. Хашимов, А. П. Виданов, «Комбинационное рассеяние света в эпитаксиальных пленках твердых растворов фосфида-арсенида галлия», ФТП том 18, вып. 8, стр. 1403-1407 (1984).

(3.1.2) В. С. Горелик, Р. Н. Хашимов, М. М. Сущинский, «Резонансное комбинационное рассеяние света в субмикронных гетероэпитаксиальных пленках кремния», Поверхность. Физика, химия, механика, №6, стр. 77-81 (1985).

IV.2. Влияние внешних воздействий на электронный спектр полупроводников.

(4.1.1) В. Л. Альперович, А. Ф. Кравченко, Н. А. Паханов, А. С. Терехов, «Влияние одноосного давления на энергетический спектр экситонов в GaAs», ФТТ том 23, вып. 5, стр. 1407-1410 (1981).

(4.1.2) А. В. Варфоломеев, Б. П. Захарченя, Р. П. Сейсян, «Обнаружение структуры диамагнитных экситонов в спектре электропоглощения германия», Письма в ЖЭТФ том 8, вып. 3, стр. 123-127 (1968).

IV.2. Зависимость электронного спектра от состава твердого раствора полупроводников.

(4.2.1) А. Н. Пихтин, В. Н. Разбегаев, Д. А. Яськов, «Влияние изменений параметров зонной структуры на спектр поглощения полупроводников (край собственного поглощения GaAs_1-xP_x)», ФТП том 7, вып. 3, стр. 471-479 (1973).

(4.2.2) Ж. И. Алферов, В. И. Амосов, Д. З. Гарбузов, Ю. В. Жиляев, С. Г. Конников, П. С. Копьев, В. Г. Трофим, «Исследование зависимости от состава люминесцентных свойств твердых растворов GaP_xAs_1-x и Al_xGa_1-x n- и p-типа», ФТП том 6, вып. 10, стр. 1879-1887 (1972).

V.1. Температурные зависимости концентрации и подвижности носителей заряда.

(5.1.1) В. Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников, «Физика полупроводников», М.: «Наука» 1990, V.4-5, XIV.7.

(5.1.2) В. Ф. Дворянкин, О. В. Емельяненко, Д. Н. Наследов, Д. Д. Недеогло, А. А. Телегин, «Электрические свойства эпитаксиальных слоев n-GaAs», ФТП том 5, вып. 10, стр. 1882-1887 (1972).

V.2. Квантовые поправки в проводимости.

(5.2.1) А. А. Абрикосов «Основы теории металлов», М.: «Наука» 1987, стр. 182-190.

(5.2.2) Г. М. Гусев, З. Д. Квон, А. И. Корчагин, И. Г. Неизвестный, В. Н. Овсюк, «Отрицательное магнитосопротивление в двумерном электронном газе у поверхности германия», ФТП том 19, вып. 6, стр. 1100-1103 (1985).

VI.1. Основы эллипсометрии.

(6.1) Л. В. Соколов, М. А. Ламин, В. А. Марков, В. И. Машанов, О. П. Пчеляков, С. И. Стенин, «Осцилляции оптических характеристик поверхности роста плёнок Ge при эпитаксии из молекулярного пучка», Письма в ЖЭТФ, том 44, вып. 6, стр. 278-280, (1986).

VI.2. Фотоэлектрические явления на горячих электронах.

(6.2) В. Л. Альперович, В. И. Белиничер, В. Н. Новиков, А. С. Терехов, «Эффект увлечения на межзонных переходах в арсениде галлия», ФТТ, том 24, вып.3, стр. 866-874 (1982).

VII.1. Вольтамперная характеристика p-n-перехода.

(7.1) Е. И. Иванов, Л. Б. Лопатина, В. Л. Суханов, В. В. Тучкевич, Н. М. Шмидт, «О влиянии неравновесных решёточных дефектов на вольтамперную характеристику кремниевых p-n-переходов», ФТП, том 16, вып. 2, стр. 207-211 (1982).

VII.2. Гетеропереход. Согласование постоянных решётки. Суперинжекция и электронное ограничение в гетероструктурах.

(7.2.1) Ж. И. Алфёров, В. М. Андреев, В. И. Корольков, Е. Л. Портной, Д. Н. Третьяков, «Инжекционные свойства гетеропереходов n-Al_xGa_1-xAs - p-GaAs», ФТП, том 2, вып. 7, стр. 1016-1017 (1968).

(7.2.2) И. Н. Арсентьев, Д. Ахмедов, С. Г. Конников, В. А. Мишурный, В. Е. Уманский, «Влияние несоответствия постоянных решётки и коэффициентов термического расширения на люминесцентные свойства гетероструктур Ga_xIn_1-xP-GaAs», ФТП, том 14, вып. 12, стр. 2343-2348 (1980).

VII.3. Структура металл-диэлектрик-полупроводник. Полевые транзисторы.

(7.3) О.В. Романов, А.М. Яфясов, В.Я. Урицкий, «Поверхностная подвижность дырок в инверсионномканале МДП-систем на основе Si-SiO₂», Поверхность. Физика, химия и механика. Том 2, №7, стр. 84-91 (1983).

VIII.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия – метод синтеза модулированных структур.

(8.1.1) «Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры» Под редакцией Л. Ченга и К. Плога, Изд. «Мир» 1989.

(8.1.2) В. И. Белявский «Физические основы полупроводниковой нанотехнологии», СОЖ №10 стр.92-98 (1998).

VIII.2. Использование фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света для определения структурных параметров сверхрешёток.

(8.2.1) М. Херман «Полупроводниковые сверхрешётки», М.: «Мир» 1989, Глава 4. (4.2.1. Поглощение и люминесценция)

(8.2.2) М. Херман «Полупроводниковые сверхрешётки», М.: «Мир» 1989, Глава 4. (4.2.2. Комбинационное рассеяние)

VIII.3. Квантовые явления в области пространственного заряда.

(8.3.1) В.И. Гутов, З.Д. Квон, И.Г. Неизвестный, В.Н. Овсюк, Ю.А. Ржанов, «Приповерхностная область пространственого заряда германия в условиях размерного квантования», Поверхность. Физика, химия и механика. №9, стр. 71-76 (1982).

(8.3.2) Е.В. Берегулин, С.Д. Ганичев, К.Ю. Глух, Г.М. Гусев, З.Д. Квон, М.Ю. Мартисов, А.Я. Шик, И.Д. Ярошецкий, «Природа субмиллиметровой фотопроводимости в инверсионных слоях на поверхности кремния» Письма в ЖЭТФ, том 48, вып. 5, стр. 247-249 (1988).

VIII.4. Баллистическая проводимость в низкоразмерных системах.

(8.4.1) B.J. van Wees, H. van Houten, C.W.J. Beenakker, J.G. Williason, L.P. Kouwenhoven, D. van der Marel, C.T. Foxon, "Quantized Conductance of Point Contacts in a Two-Dimensional Electron Gas", Phys. Rev. Lett. 60, 848 (1988).

(8.4.2) A.M. Song, A. Lorke, A. Kriele, J.P. Kotthaus, W. Wegscheider, M. Bichler, "Nonlinear Electron Transport in an Asymmetric Microjunction: A Ballistic Rectifier", Phys. Rev. Lett. 80, 3831 (1998).

VIII.5. Приборы на сверхрешётках.

(8.5.1) K.-K. Choi, B.F. Levine, C.G. Bethea, J. Walker, and R.J. Malik “Multiple quantum well 10m GaAs/Al_xGa_1-xAs infrared detector with improved responsivity”, Appl. Phys. Lett. 50 (25) pp. 1814-1816 (1987). B.F. Levine, K.-K. Choi, C.G. Bethea, J. Walker, and R.J. Malik “New 10m infrared detector using intersubband absorption in resonant tunneling GaAlAs superlattices”, Appl. Phys. Lett. 50 (16) pp. 1092-1094 (1987).

(8.5.2) В.А. Гайслер, А.И. Торопов, А.К. Бакаров и др. «Генерационные характеристики лазеров с вертикальным резонатором на основе In_0.2Ga_0.8As квантовых ям», Письма в ЖТФ, том 25, вып. 19, стр. 40-44 (1999).

Задания

Профессор Александр Сергеевич Терехов

Задание №1

1. Основываясь на характеристиках кристаллической структуры типа алмаза, рассчитайте следующие параметры кремния:

а) число атомов, содержащихся в элементарной ячейке (единичном кубе)

б) атомный радиус структуры (длину отрезка, соединяющего два ближайших узла), полагая, что длина ребра элементарной ячейки кремния а = 0.543 нм;

в) число атомов, приходящихся на единицу площади в кристаллических плоскостях (111), (100) и (110).

(Три указанные здесь плоскости существенны для технологии полупроводниковых приборов.)

2. Оценить энергию залегания мелких водородоподобных уровней донорного типа в Si, Ge и GaAs. Сравнить полученные значения с шириной запрещённой зоны и kT (T = 300 К).

3. Для арсенида галлия (GaAs) определить при какой минимальной концентрации доноров станут заметны эффекты, связанные с перекрытием электронных оболочек соседних примесных атомов.

4. Найти температурный интервал, в котором концентрация электронов в кремнии с точностью не хуже 10% равна концентрации введённой примеси. Полупроводник легирован фосфором N_d = 10¹⁵ см^-3, энергия залегания донорного уровня e_d = 45 мэВ.

5. Дан образец кремния n-типа. При температуре комнатной температуре (300 К) его удельное сопротивление равно 5 Ом·см. Найти равновесные концентрации электронов и дырок при T = 300 К и 500 К. Оценить удельное сопротивление при T = 500 К.

6. Для Si, Ge и GaAs рассчитать среднюю тепловую скорость электронов, среднюю длину и время свободного пробега и тепловую длину волны де Бройля.

7. Получить выражение для холловского напряжения в случае смешанной проводимости. При каком условии ЭДС Холла равна нулю?

Задание №2

1. Рассчитать минимальную длину волны излучения, необходимую для образования электрон-дырочных пар в Si, Ge и GaAs. Определить к какому диапазону на шкале электромагнитных волн относятся данные длины волн. Изобразить переходы на дисперсионных зависимостях.

2. Нарисовать зонную диаграмму в масштабе и вычислить толщину слоя обеднения идеального барьера Шоттки металл-кремний (qФ_m = 4.75 эВ, X_s = 4.05эВ). Кремний легирован донорами с концентрацией

a) N_d = 10¹⁴ см^-3;

б) N_d = 10¹⁸ см^-3.

Сравнить толщину с длиной свободного пробега и тепловой длиной волны де Бройля.

3. Рассчитать ёмкость идеального барьера Шоттки между платиной (qФ_m=5.3эВ) и кремнием с уровнем легирования донорами N_d=10¹⁶ см^-3 при нулевом смещении и Т=300К. Площадь перехода S=10^-4 см². Какая должна быть полярность и величина смещения, при котором емкость уменьшится на 25% по сравнению с емкостью при нулевом смещении?

4. Каким должен быть закон распределения примеси, чтобы диод Шоттки, смещенный в обратном направлении, мог служить в качестве элемента настройки радиоприемника? Для удобства работы резонансная частота должна линейно зависеть от приложенного обратного смещения.

5. Удельное сопротивление p-области кремниевого pn-перехода 2 Ом·см, а n-области 1 Ом ·см. Вычислить высоту потенциального барьера при Т = 300 К.

6. Получить выражения для концентрации, плотности состояний и проводимости двумерного и одномерного электронного газа.

7. Определить эффективные массы электрона в инверсионном слое по главным направлениям (m_z - перпендикулярно поверхности, m_x и m_y параллельно поверхности) для трёх высокосимметричных ориентаций поверхности ((100), (110) и (111)) полупроводников с зонной структурой типа Si (поверхности постоянной энергии - шесть эллипсоидов вращения, расположенных в направлениях <100>) и типа Ge (поверхности постоянной энергии - четыре эллипсоида вращения, расположенных в направлениях <111>).

Введение в специальность

Лабораторные работы
(3 курс, 5 сем., 54 ч.)
(3 курс 6 сем., 48 ч.)

Татьяна Ивановна Батурина

II.1 Исследование структуры и дефектов кристаллов методом просвечивающей электронной микроскопии. Режимы дифракции и образования изображений. Приготовление образцов.

II.2. Исследование упорядоченного расположения атомов на поверхности методом сканирующей электронной микроскопии. Физические принципы образования изображений. Приготовление образцов.

II.3. Исследование морфологии поверхности методом атомно-силовой микроскопии. Физические принципы образования изображений.

II.4. Исследование структуры кристаллов и поверхностных реконструкций методом дифракции медленных электронов.

III.1. Неупругое рассеяние света на колебаниях решётки.

IV.1. Легирование полупроводников методом ионной имплантации.

IV.2. Фотоэлектронная спектроскопия полупроводников.

IV.3. Фотолюминесцентный метод изучения уровней в запрещённой зоне.

V.1. Измерение концентрации и подвижности методом эффекта Холла.

VI.2. Эллипсометрия.

VI.1. Измерение спектральных зависимостей фототока. Определение рекомбинационных параметров.

VII.1. Определение плотности поверхностного заряда методом фотоотражения. Измерение электронного сродства. Спектр квантового выхода. Фотоэлектрический порог.

VII.2. Планарная технология на кремнии. Основные технологические операции при изготовлени МДП - транзистора.

VIII.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия – метод синтеза модулированных структур.

Литература

1. Ансельм А.И. «Введение в теорию полупроводников», М.: Наука, 1978.
   
2. Киттель Ч. «Введение в физику твёрдого тела», М.: Наука, 1978.
   
3. Займан Дж. «Принципы теории твёрдого тела», М.: Мир, 1974.
   
4. Ашкрофт Н., Мермин П. «Физика твердого тела», М.: Мир, 1979.
   
5. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. «Физика полупроводников», М.: Наука, 1990.
   
6. Анималу А. «Квантовая теория кристаллических твердых тел», М.: Мир, 1981
   
7. Киреев П.С. «Физика полупроводников», М.: Высшая школа, 1975.
   
8. Зеегер К. «Физика полупроводников», М.: Мир, 1977.
   
9. Смит Р. «Полупроводники», М.: Мир, 1982.
   
10. Зи С. М. «Физика полупроводниковых приборов»: в 2-х книгах. М.: Мир, 1984.
    
11. Росадо Л. «Физическая электроника и микроэлектроника», М.: Высшая школа, 1991.
    
12. Маллер Р., Кейминс Т. «Элементы интегральных схем», М.: Мир, 1989
    
13. Андо Т., Фаулер А., Стерн Ф., «Электронные свойства двумерных систем», М.: Мир, 1985
    
14. «Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры». Под редакцией Л. Ченга и К. Плога, М.: Мир, 1989
    
15. М. Херман М., «Полупроводниковые сверхрешётки», М.: «Мир» 1989