Основы физики полупроводников и схемотехники

Данный курс, главным образом, предназначен для студентов, обучающихся по программам подготовки специалистов в области микроэлектроники. В рамках данного курса рассматриваются процессы, происходящие в электронно-дырочных переходах, а также свойства базовых элементов интегральных схем: резисторов, диодов, биполярных и МОП-транзисторов. Данные вопросы играют ключевую роль при решении задач разработки и применения современных изделий электронной техники и, по сути, составляют основу полупроводниковой микроэлектроники.

Три последовательно связанных модуля, в каждом модуле 5 уроков (лекций), контрольные вопросы, зачетные материалы в электронной форме.

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. У.Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с англ. - в двух томах: ДМК пресс, 2008, ISBN 978-5-97060-173-0

Дополнительная литература к курсу:

1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Изд. 9 2020. 480 с. ISBN 978-5-8114-0368-4.
2. 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.
3. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Изд. 2-е перераб.: Лаборатория базовых знаний, 2001г. - 488с.

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: 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

Лекция 1. Введение. Электрофизические свойства полупроводников, металлов и диэлектриков. Закон действующих масс.

Лекция 2. Концентрация электронов и дырок в примесных полупроводниках. Подвижность носителей заряда. Удельное сопротивление легированного полупроводника. Зависимость подвижности носителей заряда от концентрации легирующей примеси и температуры.

Лекция 3. Зонные структуры материалов. Распределение Ферми-Дирака. Распределение электронов по энергетическим зонам кремния. Работа выхода и сродство к электрону.

Лекция 4. Полупроводниковый p-n переход. Баланс зарядов в равновесном p-n переходе. Электрические режимы p-n перехода. Граничные условия Шокли. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

Лекция 5. Биполярные транзисторы. Виды биполярных транзисторов. Режимы работы биполярного транзистора. Равновесная и избыточная концентрация носителей заряда. Структура с длинной базой. Структура с короткой базой. Ток коллектора биполярного транзистора.

МОДУЛЬ 2

Лекция 6. Эффект Эрли. Рекомбинация и условие электронейтральности. Структура базы биполярного транзистора. Движение носителей заряда в базе биполярного транзистора в нормальном активном режиме. Составляющие тока базы биполярного транзистора.

Лекция 7. Передаточная характеристика биполярного транзистора. Аналитическое и численное представление передаточной характеристики. Крутизна биполярного транзистора. Входные и выходные характеристики биполярного транзистора. Аналитическое и численное описание выходных характеристик.

Лекция 8. Графический метод анализа транзисторных схем.  Каскад с общим эмиттером. Температурная зависимость падения напряжения на эмиттерном переходе.

Лекция 9. Биполярный транзистор в режиме насыщения. Транзисторный человек. Каскад с общим эмиттером (применение модели транзисторного человека). Каскад с общим эмиттером в режиме насыщения. Передаточная характеристика каскада с общим эмиттером с учетом режима насыщения.

Лекция 10. Дифференциальный метод анализа транзисторных схем. Ток базы и ток коллектора как функции напряжений эмиттер-база и коллектор эмиттер. Ток коллектора в дифференциальной форме. Ток базы в дифференциальной форме.

МОДУЛЬ 3

Лекция 11. Структура металл-диэлектрик-полупроводник. Электрофизические свойства структуры металл-диэлектрик-полупроводник. Зонные диаграммы материалов МОП-структуры. Режим аккумуляции. Режим обеднения. Инверсный режим.

Лекция 12. Транзисторы на основе структуры Металл-Диэлектрик-Полупроводник. Структура и принципы работы. Режимы работы. Передаточная характеристика.

Лекция 13. Логические схемы на полевых МОП-транзисторах. Логические элементы «И», «ИЛИ», «НЕ».

Лекция 14. Комбинационные Логические Схемы. Полусумматор. Дешифратор. Мультиплексор. Демультиплексор.

Лекция 15. Устройства памяти и последовательные логические схемы на основе триггеров. RS – триггер. Типы триггеров.

- способность идентифицировать новые области исследований, новые проблемы в сфере профессиональной деятельности;

- способность к созданию математических и физических моделей исследуемых процессов, явлений и объектов, относящихся к профессиональной сфере.

-простейшие, но фундаментальные физические принципы кремниевой электроники;

-основы физики работы электронных приборов является необходимым условием подготовки хорошего инженера –электронщика;

- основные типы дискретных полупроводниковых приборов, широко использующихся в микроэлектронике;

- вольтамперные характеристики приборов и методы расчета нелинейных электрических цепей на основе графического анализа вольтамперных характеристик элементов схемы;

- функциональные возможности дискретных полупроводниковых приборов, а также основные ограничения их схемотехнического применения;

- схемотехническое устройство типовых элементов аналоговой схемотехники: каскада с общим эмиттером, токового зеркало, дифференциального усилителя, выходных двухтактных усилительных каскадов;

- основные элементы цифровой схемотехники, их электрические параметры;

- схемотехническую реализацию логических элементов цифровой схемотехники на основе дискретных полупроводниковых приборов;

- функциональное назначение и возможности основных элементов цифровой схемотехники

- основные естественнонаучные законы, 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.

- выполнение численных оценок электрофизических параметров микроэлектронных структур;
- расчет нелинейных электрических цепей на основе графического анализа вольтамперных характеристик элементов схемы;
- расчет электрических параметров основных элементов аналоговой схемотехники: входного сопротивления, выходного сопротивления, передаточных характеристик;
- разработка схем, инженерный расчет, моделирование, оценка и оптимизация параметров каскадов, блоков и аналоговых устройств;
- схемотехническое моделирование электронных устройств и интегральных схем основанное на численном решении уравнений Кирхгофа электрических цепей для нелинейных элементов (например, транзисторов).

- расчет физики работы электронных приборов;

- владеть компьютерными технологиями и иметь 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.