Полупроводниковая электроника

Содержание разделов дисциплины

1. Состояния электронов в твердом теле.

Приближение Борна — Оппенгеймера. Фононы. Одноэлектронное уравнение с периодическим потенциалом. Функция Блоха. Квазиволновой вектор. Зона Бриллюэна. Понятие энергетической зоны. Заполнение одноэлектронных уровней носителями. Понятие дырки. Полупроводники, металлы, диэлектрики. Зонная структура Ge, Si, GaAs. Приближение эффективной массы. Уравнения для медленных амплитуд. Границы применимости приближения эффективной массы. Дно зоны проводимости в Ge, Si и GaAs (Случай простой зоны). Эффективная масса электрона. Потолок валентной зоны в Ge, Si, GaAs. Гамильтониан Латтинджера. Акцепторы и доноры. Понятие мелкой примеси.

2. Статистика носителей заряда в твердом теле.

Статистика электронов и дырок. Плотность состояний. Положение уровня Ферми в собственных полупроводниках. Положение уровня Ферми в легированных (некомпенсированных и компенсированных) полупроводниках.

3. Теория рассеяния.

Релаксация характеристики пробной частицы. Времена релаксации энергии и импульса. Рассеяние на примесях. Межэлектронное рассеяние. Рассеяние на DO, PO, DA и PA фононах. Зависимость времен релаксации от энергии частицы.

4. Твердое тело в слабых внешних полях.

Уравнение Больцмана. Интеграл столкновений. Приближение времени релаксации. Закон Ома. Зависимость подвижности от температуры. Подвижность и диффузия. Соотношение Эйнштейна. Эффект Холла. Магнитосопротивление.

5. Носители заряда в сильном электрическом поле.

Электронная температура. Горячие носители. Квазиуровни Ферми. Амбиполярная диффузия и дрейф. Эффект убегания. Межзонный и примесный пробой. Эффект Ганна. Явление стриминга в p-Ge. NEMAG. Лазер на дырках в p Ge в скрещенных Е, Н полях.

6. Явления в контактах. Диоды. Транзисторы.

Энергия электронного сродства и работа выхода. Диод Шотки. Контактная разность потенциалов. Область пространственного заряда. Вольт — амперные и вольт — фарадные характеристики. Антизапорный контакт. Токи ограниченные пространственным зарядом. Полупроводниковые диоды. Контакт двух полупроводников из одного материала с разным типом легирования (p-n переход). Контактная разность потенциалов. Выпрямляющие свойства. Биполярный транзистор. Гетеропереход. Разрыв зон. Гетеропереходы 1-го и 2- го рода. Граница твердого тела. Поверхностные состояния. Эффект поля. МДП и МОП структуры. Полевой транзистор

7. Оптические явления в полупроводниках

Оптические свойства полупроводников. Межзонное и примесное поглощение света. Поглощение в сильном электрическом поле. Полупроводниковые лазеры. Гетеролазеры с двойной гетероструктурой. Квантовые каскадные лазеры.

Рекомендуемая литература

Основная литература

1. В.Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников. Физика полупроводников. // М.: Наука. 1977, 672 с
2. Ю.Питер, Мануэль Кардона. Основы физики полупроводников// М.: Физматлит, 2002, 560 с.
3. Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела.// М.: Наука. 1978, 791

Дополнительная литература

1. В.Я. Демиховский, Г. А. Вугальтер. Физика квантовых низкоразмерных структур.// М, «Логос», 2000, 248 с.
2. В.Н. Мурзин. Субмиллиметровая спектроскопия коллективных и связанных состояний носителей тока в полупроводниках.// М.: Наука. 1985, 264 с.

Вопросы для контроля

1. Приближения используемые для описания состояний электронов в твердом теле. Одноэлектронное уравнение с периодическим потенциалом.
2. Функция Блоха. Квазиволновой вектор. Зона Бриллюэна. Понятие энергетической зоны. Заполнение одноэлектронных уровней носителями. Полупроводники, металлы, Диэлектрики.
3. Уравнения для медленных амплитуд. Границы применимости приближения эффективной массы.
4. Дно зоны проводимости в Ge, Si и GaAs (Случай простой зоны). Эффективная масса электрона.
5. Приближение эффективной массы для вырожденной зоны. Потолок валентной зоны в Ge, Si, GaAs.
6. Акцепторы и доноры. Понятие мелкой примеси. Применение приближения эффективной массы для описания мелких примесных состояний.
7. Статистика электронов и дырок. Плотность состояний. Положение уровня Ферми в собственных полупроводниках.
8. Положение уровня Ферми в легированных полупроводниках.
9. Рассеяние носителей заряда. Времена релаксации энергии и импульса.
10. Рассеяние на примесях.
11. Межэлектронное рассеяние.
12. Рассеяние на DO, PO, DA и PA фононах.
13. Зависимость времен релаксации от энергии частицы.
14. Полупроводник в слабом внешнем поле. Уравнение Больцмана. Интеграл столкновений.
15. Приближение времени релаксации. Время релаксации импульса и энергии
16. Закон ома. Зависимость подвижности от температуры.
17. Подвижность и диффузия. Соотношение Эйнштейна.
18. Эффект Холла. Магнитосопротивление
19. Полупроводник в сильных полях. Электронная температура. Горячие носители.
20. Эффект убегания.
21. Межзонный и примесный пробой.
22. Эффект Ганна.
23. Контакт двух твердых тел. Условие равновесия. Энергия электронного сродства и работа выхода. Контактная разность потенциалов. Разрывы зон.
24. Контакт металл — полупроводник. Диод Шотки. Размеры области пространственного заряда.
25. Воль- амперная характеристика диода Шотки. Контактная емкость.
26. Контакт металл — полупроводник. Антизапорный контакт. Токи ограниченные пространственным зарядом.
27. Контакт двух полупроводников из одного материала с разным типом легирования (p-n переход). Контактная разность потенциалов. Выпрямляющие свойства.
28. Гетеропереход. Разрыв зон. Гетеропереходы 1-го и 2- го рода.
29. Биполярный транзистор.
30. Поверхностные состояния. Эффект поля. МДП и МОП структуры. Полевой транзистор
31. Оптические свойства полупроводников. Межзонное и примесное поглощение света. Поглощение в сильном электрическом поле.
32. Полупроводниковые.лазеры. Гетеролазеры с двойной гетероструктурой.