2. Состав индивидуального задания

Индивидуальное задание (ИЗ) составляется преподавателем и выдается студентам в начале семестра.

Объектом ИЗ являются полупроводниковые структуры: "металл-диэлектрик-полупроводник", p-n-переход, контакт "металл-полупроводник". Таким образом, в ИЗ должны быть рассмотрены физические процессы в полупроводниковой структуре и выполнен расчет ее электрофизических характеристик.

Задание, как правило, должно содержать:

– наименование темы ИЗ;

– вид полупроводниковой структуры;

– исходные данные для выполнения расчетов электрофизических характеристик;

– перечень решаемых при выполнении ИЗ вопросов.

Кроме того, ИЗ для студентов, обучающихся по специальности 210202 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств», может быть выполнено в виде реферата по определенной проблеме физических процессов и явлений современной микро- и наноэлектроники. Примерные темы рефератов приведены в прил. 9.

Студенты, выполнившие ИЗ в виде реферата и выступившие с докладом по его теме на ежегодной студенческой научно-технической конференции ТТИ ЮФУ, поощряются дополнительными рейтинговыми баллами по дисциплине.

3. УКАЗАНИЯ к СОСТАВЛЕНИЮ

ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

3.1. Введение

Одной из составных структурных частей пояснительной записки является введение. Введение должно содержать краткое обсуждение основных исходных данных для выполнения индивидуального задания, обоснование актуальности и необходимости его выполнения.

3.2. Разделы основной части пояснительной записки

Пояснительная записка должна содержать следующие разделы.

1. Анализ физических процессов в заданной полупроводниковой структуре.

2. Расчет необходимых электрофизических характеристик полупроводниковой структуры.

3. Метод формирования полупроводниковой структуры (в соответствие с вариантом задания).

Студенты, обучающиеся по специальностям 140609 «Электрооборудование летательных аппаратов», 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений», выполняют только 1 и 2-й разделы пояснительной записки.

3.2.1. Электрофизические свойства различных полупроводниковых структур определяют принципы действия подавляющего большинства интегральных микросхем (ИМС).

На границе раздела между двумя различными по типу электропроводности полупроводниками или между полупроводником и металлом возникают потенциальные барьеры, что является следствием перераспределения концентрации подвижных носителей заряда между контактирующими материалами. Электрические свойства граничного слоя зависят как от значения, так и от полярности приложенного внешнего напряжения. Если граничные слои в полупроводниковых структурах обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, т.е. если их электрическое сопротивление при одной полярности напряжения больше, чем при другой, то такие слои называются выпрямляющими переходами.

Процессы, протекающие на поверхности полупроводника, оказывают существенное влияние на электрические параметры элементов интегральных схем. Наличие локальных поверхностных энергетических уровней вызывает образование поверхностного электрического заряда. При этом в приповерхностной области полупроводника появляется равный по значению и противоположный по знаку индуцированный заряд, т. е. появляются обогащенные, обедненные или инверсионные приповерхностные слои. Возникновением инверсионных слоев в значительной степени определяется эффект поверхностной проводимости и образование так называемых каналов. Каналы могут формироваться и под действием поперечного внешнего электрического поля. Модулируя величину электропроводности канала, управляют величиной тока в полевых транзисторах на основе МДП-структур.

Таким образом, целью анализа физических процессов в заданной полупроводниковой структуре является детальное обсуждение перечисленных в данном пункте проблем применительно к ИЗ, а также выбор и обоснование детерминированных моделей для последующего выполнения необходимых расчетов.

3.2.2. Цель расчета электрофизических характе-ристик. Целью расчета является получение необходимых теоретических зависимостей или значений отдельных свойств полупроводниковой структуры, оговоренных в задании.

Прежде чем выполнять те или иные расчеты, надо понять их сущность, смысл заданных величин, вспомнить физические процессы, основные законы и соотношения, относящиеся к данному вопросу.

Все аналитические расчеты следует производить по общеизвестным правилам. Вначале необходимо написать исходные соотношения, сделать, если это необходимо, соответствующие преобразования, получить конечные формулы, а затем подставить в эти формулы числовые значения и вычислить искомый результат. Однако, если решение задачи в общем виде связано с громоздкими выражениями, то его можно производить поэтапно.

Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан в решении задачи. Вычисления, как правило, достаточно делать с точностью до второго знака, а в ряде отдельных случаев – до третьего. Нет никакого смысла доводить точность решения до четвертого или пятого знака, так как исходные данные обычно бывают известны с меньшей точностью. Например, характеристики и параметры полупроводниковых материалов, приборов, емкости конденсаторов, сопротивления резисторов всегда известны с точностью, редко превышающей 5–20%.

При выполнении расчетов очень полезно пользоваться некоторыми приемами приближенных вычислений и простыми правилами, упрощающими вычисления.

Полученный в виде числового ответа результат расчета надо всегда стараться проверить каким-либо способом. Иногда в вычислениях бывает допущена ошибка и порядок величин в ответе получается неправильным. Полезно оценить результат, вычислив его весьма приближенно путем округления значений, с которыми производятся действия, до удобных для выполнения оценочного расчета.

Необходимо внимательно следить за размерностью величин и не допускать таких грубых ошибок, как, например, получение сопротивления в «омах» при делении по закону Ома напряжения в «вольтах» на ток в «миллиамперах». При таком делении сопротивление получается в «килоомах».

Результаты расчетов электрофизических характеристик полупроводниковых структур необходимо оформить в виде графиков и диаграмм. При этом на осях координат обязательно надо показать, какие величины отложены и в каких единицах. Вдоль оси указывают значения этих величин в соответствующем масштабе.

3.2.3. Третий раздел пояснительной записки. Третий раздел должен быть посвящен описанию одного из методов формирования полупроводниковой структуры в соответствии с вариантом задания. При этом следует руководствоваться следующими соображениями.

Как уже отмечалось, различные полупроводниковые структуры (p-n-переход, контакт "металл-полупроводник", МДП) составляют основу полупроводниковых интегральных микросхем. Такие ИМС представляют собой функциональные устройства, изготовленные в кристалле полупроводника и содержащие соединенные между собой активные и пассивные элементы (транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы). Для изготовления полупроводниковых ИМС используются такие технологические процессы, как окисление полупроводника, диффузия, ионное внедрение примесей в полупроводник, эпитаксиальное наращивание, вакуумное напыление и др. Для получения микрогеометрии элементов наиболее широко применяется метод фотолитографии, а также метод локальной обработки материала остросфокусированными или каким-либо образом локализованными управляемыми электронными, ионными и лазерными лучами. С помощью этих процессов как активные, так и пассивные элементы изготавливаются в объеме или на поверхности кристалла полупроводника. В качестве активных элементов в ИМС используются биполярные (p-n-p и n-p-n) транзисторы, а также полевые транзисторы с изоляцией затвора диэлектрическим слоем, диоды на основе p-n-перехода или барьера Шоттки и другие структуры. Резисторами в ИМС являются отдельные участки полупроводника, имеющие соответствующую конфигурацию. Конденсаторами служат p-n-переходы или структуры типа МДП. Изоляция между элементами осуществляется либо p-n-переходом, либо диэлектрическим слоем. Следует отметить, что диффузионные резисторы и конденсаторы на основе p-n-переходов имеют узкий диапазон исследуемых номиналов, низкую точность изготовления, сильную температурную зависимость номиналов и являются нелинейными элементами.

В целом полупроводниковые интегральные микросхемы продолжают оставаться одним из основных направлений развития современной твердотельной электроники, так как они позволяют создавать надежные, сравнительно дешевые и достаточно сложные в функциональном отношении электронные устройства малых размеров.