Тематический план

  • Физические основы микро- и наноэлектроники

    В. В. Андреев

    Физические  основы  микро-  и  наноэлектроники  /  В.  В.  Андреев, В.  П.  Жалнин,  А.  А.  Столяров.  —  Москва :  Издательство  МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2023. — 292, [2] с. : ил. (Библиотека «Приборостроение». Т. 3).

    Издание учебно-методического комплекса по укрупненным группам специальностей и направлений «Информатика и вычислительная техника» и «Приборостроение» 

    подготовлено в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет–2030» МГТУ им. Н.Э. Баумана

    ISBN 978-5-7038-6098-4

    ISBN 978-5-7038-6042-7 (т. 3)


  • 1. Конспект лекций

    Основная цель дисциплины: изучение физических законов и явлений, на которых основано функционирование элементов современной микро- и наноэлектроники.

    Задачи дисциплины — формирование знаний, навыков и умений по следующим направлениям:
    • элементы зонной теории твердых тел;
    • статистика электронов и дырок в полупроводниках;
    • электропроводность металлов и полупроводников;
    • электрофизические свойства p–n-переходов и структур металл–диэлектрик–полупроводник;
    • основные принципы работы полевых транзисторов;
    • методы исследования физических процессов и определения параметров полупроводниковых материалов и структур.
    При освоении дисциплины планируется формирование компетенций, предусмотренных ОПОП на основе СУОС по направлению подготовки 12.03.01 «Приборостроение» (уровень бакалавриата).

    В конце каждой лекции приведены тесты для контроля знаний студентов, состоящие из вопросов и трех ответов на них, из которых следует выбрать один правильный.

    • 1.1. ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Файл

      Цель лекции: введение в физические основы микро- и наноэлектроники, ознакомление с содержанием курса и его структурой.

      Тесты к лекции 1.

    • 1.2. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И ФИЗИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ Файл
      Цель лекции: ознакомление с основами квантовой механики и физической статистики.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.2.1. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ. УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА;
      1.2.2. ТЕОРЕМА ФЕЛИКСА БЛОХА;
      1.2.3. СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ГЕЙЗЕНБЕРГА;

      Тесты к лекции 2.

    • 1.3. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ БАРЬЕРЫ ПОЛУБЕСКОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫ Файл
      Цель лекции: ознакомление с потенциальным барьером полубесконечной толщины для микрочастиц.
      Тесты к лекции 3.
    • 1.4. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ БАРЬЕРЫ КОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫ. ФУНКЦИЯ ФЕРМИ Файл
      Цель лекции: ознакомление с потенциальными барьерами.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.4.1. ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИА ЛЬНЫЙ БАРЬЕР;
      1.4.2. ФУНКЦИЯ ФЕРМИ;
      1.4.3. СТРОЕНИЕ АТОМА;
      1.2.4. СТЕПЕНИ ВАКУУМА;

      Тесты к лекции 4.

    • 1.5. ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ Файл
      Цель лекции: ознакомление с волновыми процессами в твердом теле и низкоразмерными объектами.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.5.1. ФАЗОВАЯ И ГРУППОВАЯ СКОРОСТИ, ФОНОНЫ;
      1.5.2. НИЗКОРАЗМЕРНЫЕ ОБЪЕКТЫ: КВАНТОВАЯ ЯМА, КВАНТОВАЯ НИТЬ, КВАНТОВАЯ ТОЧКА;

      Тесты к лекции 5.

    • 1.6. ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Файл

      Цель лекции: ознакомление с понятием электронного газа в периодическом потенциальном поле.

      Тесты к лекции 6.

    • 1.7. ЗОНЫ БРИЛЛЮЭНА И ПОНЯТИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ МАССЫ Файл
      Цель лекции: ознакомление с зонами Бриллюэна и понятием эффективной массы.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.7.1. ЗОНЫ БРИЛЛЮЭНА;
      1.7.2. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА ЭЛЕКТРОНА;

      Тесты к лекции 7.

    • 1.8. ЗОННАЯ СХЕМА КРИСТА ЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ И ПЛОТНОСТЬ СОСТОЯНИЙ Файл
      Цель лекции: ознакомление с зонной схемой кристаллических тел и плотностью состояний.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.8.1. ЗОННАЯ СХЕМА КРИСТА ЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ — ПРОВОДНИКИ, ДИЭЛЕКТРИКИ, ПОЛУПРОВОДНИКИ;
      1.8.2. ПЛОТНОСТЬ СОСТОЯНИЙ;

      Тесты к лекции 8.

    • 1.9. СТАТИСТИКА ЭЛЕКТРОНОВ И ДЫРОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Файл
      Цель лекции: ознакомление со статистикой электронов и дырок в полупроводниках.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.9.1. СОБСТВЕННЫЕ И ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ;
      1.9.2. ЗАВИСИМОСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ ОТ ПОЛОЖЕНИЯ УРОВНЯ ФЕРМИ;
      1.9.3. УРОВЕНЬ ФЕРМИ И РАВНОВЕСНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ В НЕВЫРОЖДЕННЫХ СОБСТВЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКА Х;
      1.9.4. ПОЛОЖЕНИЕ УРОВНЯ ФЕРМИ И КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ В ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКА Х;

      Тесты к лекции 9.

    • 1.10. НЕРАВНОВЕСНЫЕ НОСИТЕЛИ И УРАВНЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОСТИ Файл
      Цель лекции: ознакомление с неравновесными носителями и уравнением непрерывности.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.10.1. НЕРАВНОВЕСНЫЕ НОСИТЕЛИ, РЕКОМБИНАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ;
      1.10.2. ПОВЕРХНОСТНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ;
      1.10.3. УРАВНЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОСТИ;

      Тесты к лекции 10.

    • 1.11. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Файл
      Цель лекции: ознакомление с электропроводностью твердых тел.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.11.1. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ;
      1.11.2. ЗАВИСИМОСТЬ ПОДВИЖНОСТИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ;
      1.11.3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ;
      1.11.4. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СОБСТВЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ;
      1.11.5. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПРИМЕСНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ;
      1.11.6. ДИФФУЗИОННЫЕ УРАВНЕНИЯ;

      Тесты к лекции 11.

    • 1.12. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Файл
      Цель лекции: ознакомление с понятием контактных явлений.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.12.1. КОНТАКТ ЭЛЕКТРОННОГО И ДЫРОЧНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВ;
      1.12.2. РАВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ р–n-ПЕРЕХОДА;
      1.12.3. ЗОННАЯ ДИАГРАММА р–n-ПЕРЕХОДА ПРИ ПРИЛОЖЕНИИ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ;
      1.12.4. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТОНКОГО р–n-ПЕРЕХОДА;

      Тесты к лекции 12.

    • 1.13. ЕМКОСТЬ р–n-ПЕРЕХОДА Файл
      Цель лекции: ознакомление с понятием емкости p–n-перехода, механизмами пробоя, биполярными транзисторами и гетероструктурами.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.13.1. БАРЬЕРНАЯ И ДИФФУЗИОННАЯ ЕМКОСТЬ p–n-ПЕРЕХОДА;
      1.13.2. МЕХАНИЗМЫ ПРОБОЯ p–n-ПЕРЕХОДОВ;

      Тесты к лекции 13.

    • 1.14. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Файл
      Цель лекции: ознакомление с физическими основами реализации полупроводниковых транзисторов.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.14.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ;
      1.14.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА;
      1.14.3. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ;
      1.14.4. ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ;

      Тесты к лекции 14.

    • 1.15. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Файл
      Цель лекции: ознакомление с понятием поверхностных явлений.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.15.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ПОВЕРХНОСТНЫХ СОСТОЯНИЯХ;
      1.15.2. ЭФФЕКТ ПОЛЯ. МЕТА ЛЛ–ДИЭЛЕКТРИК–ПОЛУПРОВОДНИК- СТРУКТУРЫ;
      1.15.3. ВОЛЬТ-ФАРАДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА;
      1.15.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ;
      1.15.5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С УПРАВЛЯЮЩИМ р–n-ПЕРЕХОДОМ;
      1.15.6. МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА ЧЕРЕЗ ТОНКИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЛЕНКИ;

      Тесты к лекции 15.

    • 1.16. ТУННЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕРХРЕШЕТКИ Файл
      Цель лекции: ознакомление с туннельными эффектами и полупроводниковыми сверхрешетками.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.16.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ТУННЕЛЬНЫХ ЭФФЕКТА Х;
      1.16.2. СИЛЬНОПОЛЕВАЯ ТУННЕЛЬНАЯ ИНЖЕКЦИЯ;
      1.16.3. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ В p–n-ПЕРЕХОДЕ, ОБРАЗОВАННОМ ВЫРОЖДЕННЫМИ ПОЛУПРОВОДНИКАМИ;
      1.16.4. РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ;
      1.16.5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕРХРЕШЕТКИ;

      Тесты к лекции 16.

    • 1.17. ОДНОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА, УСТРОЙСТВА МОЛЕКУЛЯРНОЙ И СПИН-ЭЛЕКТРОНИКИ Файл
      Цель лекции: ознакомление с одноэлектронными устройствами, устройствами молекулярной и спин-электроники.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.17.1. КУЛОНОВСКАЯ БЛОКАДА;
      1.17.2. ОДНОЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНЗИСТОРЕ;
      1.17.3. УСТРОЙСТВА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ;
      1.17.4. САМОСБОРКА И САМООРГАНИЗАЦИЯ;
      1.17.5. УСТРОЙСТВА СПИН-ЭЛЕКТРОНИКИ;

      Тесты к лекции 17.

    • 1.18. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР Файл

      Цель лекции: ознакомление с основными понятиями низкоразмерных структур.

      Тесты к лекции 18.

    • 1.19. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ Файл
      Цель лекции: ознакомление с углеродными наноструктурами.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.19.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБКА Х;
      1.19.2. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ;
      1.19.3. ГРАФЕН;
      1.19.4. ФУЛЛЕРЕНЫ И ФУЛЛЕРИТЫ;

      Тесты к лекции 19.

    • 1.20. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ Файл
      Цель лекции: ознакомление с основными термоэлектрическими эффектами в полупроводниках.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.20.1. ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА;
      1.20.2. ЭФФЕКТ ПЕЛЬТЬЕ;
      1.20.3. ЭФФЕКТ ТОМСОНА;

      Тесты к лекции 20.

    • 1.21. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Файл
      Цель лекции: ознакомление с полупроводниками, предназначенными для работы при высоких температурах.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.21.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКА Х;
      1.21.2. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ НА КАРБИДЕ КРЕМНИЯ;

      Тесты к лекции 21.

    • 1.22. ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Файл
      Цель лекции: ознакомление с основными полупроводниковыми фоточувствительными элементами.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.22.1. ФОТОПРИЕМНИКИ;
      1.22.2. ФОТОРЕЗИСТОРЫ;
      1.22.3. ФОТОДИОДЫ;
      1.22.4. ЛАВИННЫЙ ФОТОДИОД;
      1.22.5. ФОТОТРАНЗИСТОР;
      1.22.6. ОПТРОНЫ;
      1.22.7. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ;

      Тесты к лекции 22.

    • 1.23. МЕМРИСТОРЫ Файл
      Цель лекции: ознакомление с новым типом пассивных электронных элементов — мемристором.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.23.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕМРИСТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ;
      1.23.2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕМРИСТОРА;
      1.23.3. АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ МЕМРИСТИВНЫХ СТРУКТУР;

      Тесты к лекции 23.

    • 1.24. ДАТЧИКИ Файл
      Цель лекции: ознакомление с принципами работы различных датчиков.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.24.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ОБЛАСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН;
      1.24.2. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ;

      Тесты к лекции 24.

    • 1.25. ОСНОВЫ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ Файл
      Цель лекции: ознакомление с физическими основами построения квантовых вычислительных систем.

      Лекция включает в себя следующие главы:
      1.25.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ОБЛАСТИ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ;
      1.25.2. АРХИТЕКТУРА КВАНТОВОГО ПРОЦЕССОРА;
      1.25.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ РЕА ЛИЗАЦИИ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ;
      1.25.4. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КВАНТОВЫХ КОМПЬЮТЕРОВ;
      1.25.5. КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ В РОССИИ;

      Тесты к лекции 25.

  • 2. Методические материалы

  • 3. Нормативная документация

  • Литература

  • Содержание