Электронны, квантовые приборы и микроэлектроника

КАЗАХСКО-АМЕРИКАНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРОННЫЕ, КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Программа, методическое указание и контрольные задания (для студентов заочной формы обучения специальности 3805 – Радиосвязь, радиовещание и телевидение)

Алма-Ата 2001

Введение

Электронные, квантовые приборы и микроэлектронные изделия явля-ются основой практически всех радиоэлектронных и коммуникационных устройств и систем.

Задачей дисциплины “Электронные, квантовые приборы и микроэлек-троника” является подготовка студентов к решению задач, связанных с ра-циональным выбором элементной базы при разработке радиоэлектронной и коммуникационной аппаратуры, квалифицированной эксплуатации микро-электронной аппаратуры, а также приобретение навыков работы и знаний по работе с электронными приборами и микроэлектронными изделиями.

Дисциплина “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника” базируется на соответствующих разделах курсов математики, физики, теории электрических цепей.

Программа

курса “Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника”

Введение

Классификация электронных, квантовых приборов и изделий микро-электроники. Краткий исторический очерк развития электронной и микро-электронной техники. Значение курса, как одного из базовых, для радиоэлек-тронных и коммуникационных специальностей.

Раздел 1. Полупроводниковые приборы

1 Электропроводность полупроводников.

Основные понятия зонной теории. Уровень Ферми для собственного и примесного полупроводников.

Концентрация подвижных носителей зарядов. Генерация, рекомбина-ция, время жизни носителей. Диффузионное и дрейфовое движения носите-лей, диффузионный и дрейфовый токи, уравнения диффузии и непрерывно-сти.

2 Физические процессы в электронно-дырочных переходах и контактах.

Электронно-дырочный (p-n) переход в состоянии равновесия. Способы получения переходов. Энергетическая и потенциальная диаграммы, высота потенциального барьера, движение носителей, распределение зарядов и на-пряженности электрического поля в обедненном слое, ширина перехода.

Прямое и обратное включение p-n перехода. Инжекция и экстракция не-основных носителей, прямой и обратный токи.

Вольтамперная характеристика идеализированного электронно-дырочного перехода, влияние на нее температуры, концентрации примесей, генерации и рекомбинации носителей в области перехода. Вольтамперная характеристика реального электронно-дырочного перехода. Влияние сопро-тивлений областей при прямом включении. Пробой перехода. Тепловой, ла-винный и туннельный пробои при обратном включении, влияние концентра-ции примесей.

Контакт металл-полупроводник при различных соотношениях работ выхода, контакт с барьером Шотки. Контакт полупроводников с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы). Энергетические диаграммы контакта металл-полупроводник в состоянии равновесия. Вольтамперные характеристики переходов с барьером Шотки и гетеропереходов.

Статическое и дифференциальное сопротивления электронно-дырочного перехода. Барьерная и диффузионная емкости.

Принципы построения основных полупроводниковых приборов. Клас-сификация полупроводниковых приборов по типу структуры. Приборы, ос-нованные на различных объемных эффектах. Приборы с электронно-дырочными переходами. Приборы, основанные на контактах металл-полупроводник и металл-диэлектрик-полупроводник.

3 Полупроводниковые диоды

Классификация. Выпрямительные и детекторные диоды: назначение, устройство, основные параметры, влияние температуры. Стабилитроны, вольтамперная характеристика, параметры, назначение. Варикапы, варакто-ры, параметрические диоды: назначение, основные параметры. Импульсные диоды: назначение, параметры. Диоды с барьером Шотки, параметры, срав-нение с обычными диодами, применения. Туннельные диоды, особенности устройства, вольтамперная характеристика, параметры, применения. Диоды со структурой p-i-n типа, принцип работы, параметры, применение.

4 Биполярные транзисторы

Устройство и принцип действия транзистора, назначение и способы из-готовления. Схемы включения: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Режимы работы: активный, отсечки, насыщения, инверсный.

Работа транзистора в активном режиме. Потенциальная диаграмма. Ин-жекция неосновных носителей в эмиттерном переходе, движения носителей в базовой области, экстракция неосновных носителей в коллекторном пере-ходе. Коэффициенты инжекции и передачи тока эмиттера. Связь между то-ками электродов. Распределение концентрации неосновных носителей в базе транзистора при различных включениях переходов.

Статические характеристики биполярных транзисторов в схемах с об-щей базой и общим эмиттером (входные, выходные, прямой передачи, об-ратной связи).

Эквивалентные схемы и параметры биполярных транзисторов. Физиче-ские параметры: коэффициенты передачи токов эмиттера и базы; дифферен-циальные сопротивления, барьерная и диффузионная емкости эмиттерного и коллекторного переходов; объемные сопротивления областей транзистора. Модель Эберса-Молла. Малосигнальные эквивалентные схемы: Т-образная и П-образная эквивалентные схемы. Транзистор как линейный четырехполюс-ник, системы его дифференциальных параметров и соответствующие экви-валентные схемы. Связь h-параметров с физическими параметрами.

Определение h-параметров по статистическим характеристикам.

Частотные свойства биполярных транзисторов. Граничные частоты. Предельные частоты коэффициентов передачи по току и мощности. Методы улучшения частотных свойств. Дрейфовые транзисторы. Особенности уст-ройства высокочастотных и сверхвысокочастотных транзисторов.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов. Импульсные тран-зисторы.

Предельно-допустимые эксплутационные параметры. Тепловые и элек-трические параметры. Механические и климатические воздействия. Влияние излучении на работу транзистора. Долговечность и экономичность.

Разброс параметров и характеристик, взаимозаменяемость транзистора.

5 Полевые транзисторы

Устройство и принцип действия. Классификация полевых транзисторов, технологические и конструктивные особенности. Полевые транзисторы с управляющим электронно-дырочным переходом и с изолированным затво-ром: режимы работы с обогащением и обеднением канала. Схемы включения с общим истоком, общим затвором и общим стоком. Статистические харак-теристики, триодная и пентодная области характеристик. Дифференциаль-ные параметры: крутизна, внутреннее сопротивления и статический коэффи-циент усиления. Емкости. Эквивалентная схема. Частотные свойства. Облас-ти применения полевых транзисторов.

6 Различные полупроводниковые приборы

Тиристоры, устройства, классификация. Диодный тиристор, принцип работы, вольтамперная характеристика, статистические и импульсные пара-метры. Триодный тиристор, семейство вольтамперных характеристик, стати-ческие и импульсные параметры. Применение тиристоров.

Теплоэлектрические полупроводниковые приборы: термистор, болометр и термоэлемент: устройство, параметры, применение. Полупроводниковые резисторы и варисторы. Датчики Холла.

Шумы и шумовые параметры полупроводниковых приборов.

Раздел II. Оптоэлектронные и квантовые приборы

Оптоэлектронные и квантовые приборы.

Светоизлучатели и фотоприемники.

Фотоприемники. Фотопроводимость полупроводников. Фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор: устройство. принцип работы, ха-рактеристики, параметры, применение.

Светоизлучатели: лазеры и светодиоды. Устройство, принцип примене-ния, параметры и характеристики светодиода.

Полупроводниковые лазеры. Принцип действия, параметры и характе-ристики. Достоинства полупроводниковых лазеров.

Оптроны: устройство, принцип работы, параметры, характеристики, разновидности и применение.

Индикаторы: жидкокристаллические, полупроводниковые и газоразряд-ные. Применение.

Раздел III. Микроэлектроника

1 Технологические основы микроэлектроники

Комплексная микроминиатюризация. Основная задача микроэлектрони-ки. Классификация изделий микроэлектроники.

Базовые технологические процессы изготовления полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС) (эпитаксия, термическое окисление, диффу-зия, ионное легирование, фотолитография, металлизация).

Диоды полупроводниковых ИМС. Диодное включение транзисторов.

Многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, транзисторы с барьером Шотки. Горизонтальные и вертикальные р-n-р транзисторы и су-пербета-транзисторы.

МДП с одним типом кандалов (n-МДП, p-МДП) и с двумя типами кана-лов (комплементарные КМДП). Особенности этих схем.

Параметры и характеристики пассивных элементов полупроводниковых ИМС (диффузионных и ионно-легированных резисторов, диффузионных и МДП конденсаторов) и отличие их от соответствующих параметров и харак-теристик дискретных резисторов и конденсаторов.

Температурные коэффициенты сопротивлений и емкостей пассивных элементов полупроводниковых ИМС, их основные отличия от дискретных пассивных компонентов.

Способы изоляции между компонентами ИМС и их особенности.

Способ изоляции элементов в полупроводниковых ИМС, выполненных