Физика микроэлектронных структур

Курс «Физика микроэлектронных структур» предназначен, в первую очередь, для студентов, так или иначе специализирующихся в области микроэлектроники. Микроэлектроника является одной из главных технологий в современном мире и одна из немногих, которая динамично развивается в настоящее время и на протяжении уже более чем полувека. Проектирование электронных компонентов самых разных видов и степеней сложности основано на моделировании на самых разных уровнях, в том числе и на физическом уровне.

Схемотехническое моделирование электронных устройств и интегральных схем основано на численном решении уравнений Кирхгофа электрических цепях для нелинейных элементов (например, транзисторов) и для таких элементов требуются простые физические модели для правильного описания нелинейных характеристик. Таким образом, основой физического моделирования оказывается идеология т.н. компактного моделирования, когда модель состоит из ограниченного набора относительно простых аналитических формул, не требующих дополнительных численных пересчетов. Поэтому понимание основ физики работы электронных приборов является необходимым условием подготовки хорошего инженера–электронщика.

Здесь надо отметить два обстоятельства. Во-первых, за последние 30 лет на русском языке издавалось довольно мало современной литературы по этой тематике, в том числе и переводной. Поэтому ощущается острая нехватка учебных материалов для преподавания на современно уровне.

И во-вторых, и это главное, физика электронных приборов представляет собой необъятную область, включающее в себя описание различных видов электронных приборов из разных материалов, работающих на разных принципах с широким набором разнообразных физических эффектов. Существует целый ряд современных фундаментальных руководств по этой тематике, правда, в основном, на английском языке. Они очень хороши и полезны для специалистов, но трудны, хотя бы в силу большого объема информации, для восприятия новичков – студентов и широкого круга практических электронщиков. Для обучения необходим жесткий отбор материала, который всегда субъективен. В частности, в предлагаемом курсе мы делаем упор на изложении простейших, но фундаментальных физических принципах и ограничиваем себя только кремниевой электроникой, в основном, цифровой. Для лучшего восприятия изложение ведется от простого к сложному. Предполагается наличие у читателей базовых знаний в размере курса общей физики и элементарных знаний физики полупроводников.

Разумеется, в силу ограниченного объема лекций, многие важные вопросы либо остались незатронутыми, либо упомянуты вскользь. Предполагается, что этот вводный курс поможет слушателям в более глубоком и детальном изучении обширной современной литературы как учебных, так и специальных направлений.

Основная литература к курсу:

1. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных микросхем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 630 с., ил. ISBN 5-03-001100-5
2. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники: Пер. с англ. - в двух томах М.: Мир, 2020, ISBN 978-5-9518-0351-1
3. Геннадий Зебрев: Физические основы кремниевой наноэлектроники. Учебное пособие для вузов, Издательство: Бином. Лаборатория знаний, 2017 г., Серия: Нанотехнологии, ID товара: 585962, ISBN: 978-5-9963-0181-2, Страниц: 240 (Офсет)

Дополнительная литература к курсу:

1. Interface Traps In Graphene Field Effect Devices: Extraction Methods and Influence on Characteristics // Graphene Science Handbook: Size-Dependent Properties. , CRC Taylor and Francis Group, LLC, 2016, 2016 pp. 145-158
2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Изд. 9 2020. 480 с. ISBN 978-5-8114-0368-4.
3. Петросянц К. О., Козынко П. А., Рябов Н. И., Самбурский Л. М., Харитонов И. А. Электроника интегральных схем. Лабораторные работы и упражнения. Учебное пособие / Под общ. ред.: К. О. Петросянц. М. : Солон-Пресс, 2017.
4. 621.38 С79 Основы микроэлектроники : , Степаненко И.П., Москва: Лаборатория Базовых Знаний, 2004

Изучение дисциплины  базируется на следующих курсах: Математика (основы интегрального и дифференциального исчисления, векторный и тензорный анализ); Общая физика (курс общей физики в части электричества и магнетизма); Неорганическая химия; Теоретические основы специальности (базовые знания в области физики твердого тела или основ физики полупроводников): основы микроэлектроники.

Для освоения данной дисциплины необходимо: знать основы технологии изготовления микроэлектронных структур, теорию работы и основные характеристики полупроводниковых приборов, их математические модели; уметь выполнять численные оценки электрофизических параметров микроэлектронных структур; владеть навыками математических расчетов с использованием компьютера.

Модуль 1. 

Урок 1. Введение.

• Материалы микроэлектроники: полупроводники, металлы, диэлектрики, классификация.
• Основные определения и понятия: Зонные диаграммы, валентная и зона проводимости, запрещенная зона Электроны и дырки в полупроводниках, акцепторы и доноры.
• Принцип электронейтральности.
• Тепловая генерация и рекомбинация. Закон действующих масс.

Урок 2.

• Тепловая и дрейфовая скорость.
• Подвижность носителей.
• Удельная проводимость. Закон Ома.
• Статистика носителей в полупроводниках.
• Уровень Ферми.
• Вырожденные и невырожденные полупроводники

Урок 3.

• Диффузионно-дрейфовый ток в полупроводниках.
• Соотношение Эйнштейна.
• Неоднородные полупроводники и pn-переходы.
• Электростатика, барьеры и равновесные концентрации носителей разных типов.
• Баланс токов и роль соотношение Эйнштейна в равновесии.
• Прямое и обратное смещение.
• Рекомбинационный и генерационный ток в pn-переходах и ВАХ диодов.

Урок 4.

• Pn-переходы как основной тип контактов в биполярной и МОП технологии.
• Общий принцип работы транзисторов.
• Биполярные транзистор (БТ): принцип работы, устройство и характеристики.

Модуль 2.

Урок 5.

• КМОП инвертор как базовый логический блок цифровой электроники.
• КМОП технология как основа современной цифровой электроники.

Урок 6.

• Основные тенденции и проблемы КМОП технологии (быстродействие, утечки, потребление).
• Проблема тепловыделения, роль паразитных емкостей и линий межсоединения.

Урок 7.

• МОП структура и ее параметры.
• Физические и электрические характеристики.

Урок 8.

• Общий принцип работы МОПТ.
• Простейшие модели ВАХ.

Модуль 3.

Урок 9.

• Режимы работы и ВАХ МОПТ.
• Влияние внешних факторов.

Урок 10.

• Физические эффекты в МОП транзисторах, определяющие функциональные характеристики приборов.

Урок 11.

• Короткоканальные эффекты.
• Насыщение скорости, токи утечки, DIBL и др., использование новых материалов.

Урок 12.

• Основные тенденции современной цифровой электроники.
• Особенности и конфигурации транзисторов современных цифровых технологий: FD SOI, FinFET.

Модуль 4.

Урок 13.

• Физические эффекты на контакте металл-полупроводник. Омические контакты. Барьер Шоттки.

Урок 14.

• Классификация полупроводниковых гетероструктур.
• Полупроводниковые приборы на гетеропереходах, квантово-размерных эффектах.

Урок 15.

• Полупроводниковые светоизлучающие диоды. Принципы работы, структура, характеристики.

Урок 16.

• Фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых барьерных структур. Принципы работы. Классификация.

• Знание простейших, но фундаментальных физических принципах и ограничиваем себя только кремниевой электроникой, в основном, цифровой;
• Знание основ физики работы электронных приборов;
• Знание основ технологии изготовления микроэлектронных структур, теорию работы и основные характеристики полупроводниковых приборов, их математические модели;
• Знание основных типовых дискретных полупроводниковых приборов, широко использующихся в микроэлектронике;
• Знание вольтамперных характеристик приборов и методов расчета нелинейных электрических цепей на основе графического анализа вольтамперных характеристик элементов схемы;
• Знание функциональных возможностей дискретных полупроводниковых приборов, а также основных ограничений их схемотехнического применения;
• Знание схемотехнического устройства типовых элементов аналоговой схемотехники: каскада с общим эмиттером; 
• Знание токового зеркала, дифференциального усилителя, выходных двухтактных усилительных каскадов;
• Знание основных элементов цифровой схемотехники, их электрические параметры;
• Знание схемотехнической реализации логических элементов цифровой схемотехники на основе дискретных полупроводниковых приборов;
• Знание функционального назначения и возможности основных элементов цифровой схемотехники;
• Знание основных естественнонаучных законов, умение применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования в области  профессиональной деятельности, знание теории управления, основ  автоматики, электротехники, электроники, информационной техники и  информатики.

• Умение выполнять численные оценки электрофизических параметров микроэлектронных структур;
• Умение производить расчет нелинейных электрических цепей на основе графического анализа вольтамперных характеристик элементов схемы;
• Умение производить расчет электрических параметров основных элементов аналоговой схемотехники: входного сопротивления, выходного сопротивления, передаточных характеристик;
• Умение разрабатывать схемы, производить инженерный расчет, моделирование, оценку и оптимизацию параметров каскадов, блоков и аналоговых устройств;
• Умение проектировать схемы обработки аналоговых сигналов на основе операционных усилителей;
• Умение проводить схемотехническое моделирование электронных устройств и интегральных схем основано на численном решении уравнений Кирхгофа электрических цепях для нелинейных элементов (например, транзисторов) и для таких элементов требуются простые физические модели для правильного описания нелинейных характеристик;
• Умение идентифицировать новые области исследований, новые проблемы в сфере профессиональной деятельности;
• Умение создавать математические и физические модели исследуемых процессов, явлений и объектов, относящихся к профессиональной сфере.

• Владение навыком расчета физики работы электронных приборов;
• Владение компьютерными технологиями и практические навыки компьютерного моделирования аналоговых и аналого-цифровых схем на функциональном и транзисторном уровне с использованием одного из типовых пакетов средств автоматизированного проектирования электронной аппаратуры.