Программа курса полупроводниковые приборы для студентов факи

 

I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

1. Электронные состояния атомов и твердых тел. Структура таблицы Д. И. Менделеева на примере электронных конфигураций элементов III, IV и V групп. Электронная конфигурация атомов германия и кремния. Донорные и акцепторные примеси. Энергетические зонные диаграммы собственных и примесных полупроводников.

2. Механизм электрической электронной и дырочной проводимости собственных и примесных полупроводников. Двумерные (плоские) модели структуры решёток собственных и примесных полупроводников элементов IV группы.

3. Вычисление концентрации свободных носителей заряда (СНЗ) и определение положения уровня Ферми в собственных и примесных полупроводниках. Функция распределения Ферми–Дирака. Расчёт максимальной плотности разрешенных состояний. Распределение СНЗ по энергиям в зоне проводимости и валентной зоне. Условия электрической нейтральности. Закон действующих масс, произведение концентраций СНЗ для равновесного и неравновесного стационарных состояний. Температурные зависимости концентрации СНЗ в собственном и примесном полупроводнике.

4. Электрический ток в полупроводниках. Диффузионный и дрейфовый потоки и токи. Подвижность, дрейфовая скорость, скорость диффузии СНЗ. Уравнения переноса. Управление токами проводимости. Соотношение Эйнштейна. Сопротивление, проводимость, удельное сопротивление и удельная проводимость полупроводников.

5. Решения уравнений непрерывности для стационарной инжекции неосновных носителей заряда (ННЗ) в полубесконечный образец и образец конечных размеров, больших и меньших диффузионной длины ННЗ. Рекомбинационное время жизни. Диффузионная длина ННЗ. Диффузионный треугольник и градиент концентрации ННЗ.

II. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ.

1. Электронно-дырочный p-n переход. Формирование. Диффузионно-дрейфовое равновесие. Энергетические зонные диаграммы p-n перехода для нулевого, прямого и обратного смещений. Формирование и структура прямого и обратного токов проводимости. Определение пространственного распределения концентрации основных (ОНЗ) и ННЗ, дырочных и электронных токов из решения уравнений непрерывности. Контактная разность потенциалов. Температурный потенциал. Соотношения, связывающие концентрации ОНЗ/ННЗ с напряжением на переходе. Электрическое поле и размеры области пространственного заряда (ОПЗ) резкого p-n перехода.

2. Аналитический вывод вольтамперной характеристики (ВАХ) идеального p-n перехода. Допущения модели Шокли.

3. Температурные зависимости вольтамперной характеристики.

4. Влияние генерации СНЗ в ОПЗ при обратных смещениях, рекомбинации СНЗ в ОПЗ при прямых смещениях, поля в базе при высоком уровне инжекции ННЗ на ВАХ реального p-n перехода. ВАХ в полулогарифмических координатах.

5. Барьерная и диффузионная емкости p-n перехода. Определение. Вывод. Особенности.

6. Динамические свойства. Малосигнальная эквивалентная схема полупроводниковогодиода. Обоснование.

III. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ (БТ).

1. Принцип работы. Статические параметры для схем с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ). Формирование и структура токов проводимости, распределение концентрации неосновных носителей заряда (ННЗ), энергетические зонные диаграммы для активного режима работы p-n-p и  n-p-n транзисторов.

2. Токи насыщения. Остаточные токи. Соответствующие пространственные распределения концентрации ННЗ. Механизм управления токами проводимости.

3. Модель Эберса-Молла. Обоснование уравнений для постоянных токов проводимости. Различные представления уравнений. Статическая схема замещения БТ.

4. Входные и выходные вольтамперные характеристики для схем с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ). Определение. Аналитические выражения (вывод из уравнений Эберса-Молла). Характеристика общего вида семейства. Графические представления в масштабе больших и малых токов. Физическое и аналитическое обоснование сдвига характеристик по осям токов и напряжений. Характерные токи, точки и области семейства. Соответствующие распределения концентрации ННЗ. Физическое и аналитическое обоснование механизма усиления тока базы в схеме с ОЭ. Особенности режима пробоя коллектора в схеме с ОЭ. Температурные зависимости параметров и вольтамперных характеристик.

5. Динамические свойства БТ. Малосигнальная эквивалентная схема БТ. Частотные зависимости коэффициентов передачи токов в схеме с ОБ и ОЭ. Граничные частоты. Низкочастотная эквивалентная схема БТ, h -параметры.

IV.   ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ (ПТ)

1. Принципы работы и структура ПТ. Классификация и особенности ПТ: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, МОП-транзисторы индуцированным и встроенным каналом.

2. Полевой МОП-транзистор с индуцированным и встроенным каналом. Принцип действия. Физические свойства структуры металл-окисел-полупроводник: заряд поверхности, поверхностный потенциал, напряжение плоских зон, граничный потенциал инверсии, пороговый потенциал сильной инверсии; энергетические зонные диаграммы для состояний обогащения, плоских зон, обеднения, инверсии. Концентрация свободных носителей заряда (СНЗ) на поверхности. Расчёт погонной плотности заряда электронов  инверсного слоя n -канального МОП-транзистора и проводимости канала.

3. Параметры ПТ: пороговое напряжение затвора, напряжение насыщения, ток насыщения, проводимость канала, крутизна, напряжение пробоя. Температурные зависимости параметров.

4. Выходные вольтамперные (стоковые) и передаточные (сток – затворные) характеристики. Аналитический вывод, приближённые выражения, характерные области и параметры. Температурные зависимости вольтамперных характеристик.

5. Дифференциальные параметры, соотношения между дифференциальными параметрами.

6. Емкости ПТ. Малосигнальная эквивалентная схема. Частотные и переходные характеристики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шинкаренко В.Г. Электрические свойства полупроводников и полупроводниковые приборы. МФТИ, 2016.

2. Шишкин Г.Г.(ред.) Электронные приборы. Энергоатомиздат, 1989.

3. В.В.Пасынков, Л.К.Чиркин. Полупроводниковые приборы. М., Лань. 2006.

4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М. 2001

5. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. М., Высшая школа. 1991.

6. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Пер. с анг., в 2-х кн., М. Мир. 1984.

7. Митяшев Б.Н. Полупроводниковые приборы. МФТИ, 1978.