кандидатского экзамена по специальности
05.27.01 «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы
на квантовых эффектах»
по техническим и физико-математическим наукам
Введение
В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: физика полупроводников и полупроводниковых
приборов; технология полупроводниковых приборов и интегральных схем; микросхемотехника; контроль качества и
надежность полупроводниковых приборов; радиокомпоненты, а также обзорно-обобщающие работы по новым
достижениям в области оптоэлектроники, акустоэлектроники, наноэлектроники и приборов на квантовых эффектах.
Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования
Российской Федерации по электронике, измерительной технике, радиотехнике и связи при участии СТИ РАН, МИЭМ,
МИРЭА, МИЭТ, МЭИ (ТУ) и ГУП «Пульсар».
1. Физика полупроводников и полупроводниковых приборов
Общие свойства полупроводников. Природа химической связи. Структура кристаллов. Идеальные и реальные
кристаллы. Дефекты в кристаллах. Свойства основных монокристаллических материалов микроэлектроники: Si,
GaAs и др. Поликристаллические и аморфные полупроводники.
Зонная теория твердого тела. Энергетические спектры электронов в металлах, полупроводниках, диэлектриках.
Зона проводимости и валентная зона. Электроны и дырки. Эффективная масса электрона. Экситоны. Собственные и
примесные полупроводники. Донорные и акцепторные примеси.
Основы статистической физики. Функция распределения Ферми-Дирака. Концентрация электронов и дырок в зонах
и их температурные зависимости. Распределение Максвелла-Больцмана. Критерий вырождения электронного газа.
Вырожденные и невырожденные полупроводники.
Рекомбинация носителей заряда. Рекомбинация «зона-зона» и рекомбинация через примеси и
дефекты. Теория рекомбинации Шокли-Рида. Диффузионная длина и время жизни носителей. Поверхностная
рекомбинация.
Электропроводность полупроводников. Носители заряда в слабом электрическом поле.
Взаимодействие с фононами, примесными атомами, дефектами. Подвижность электронов и дырок.
Условие электронейтральности. Диффузия и дрейф носителей заряда. Соотношение Эйнштейна. Носители заряда в
сильном электрическом поле. Горячие электроны. Лавинное умножение в полупроводниках. Электрические домены и
токовые шнуры. Эффект Ганна.
Уравнение для плотности электрического тока в полупроводниках. Уравнение непрерывности.
Уравнение Пуассона.
Электронно-дырочный (р-n) переход. Инжекция и экстракция неосновных носителей заряда. Вольт-амперная
характеристика р-n перехода. Токи носителей заряда в р-n переходе, квазиуровни Ферми. Генерация и
рекомбинация носителей в р-n переходе. Барьерная и диффузионная емкость. Частотные и импульсные свойства.
Пробой р-n перехода: тепловой, лавинный, туннельный.
Транзисторный эффект. Зонная диаграмма полупроводниковой структуры с двумя близко расположенными р-n
переходами. Коэффициент инжекции. Коэффициент переноса носителей через базу. Коэффициент усиления
транзистора.
Контакт металл-полупроводник. Теория Шоттки. Вольт-амперная характеристика. Омический контакт.
Сопоставление с р-п переходом.
Структура металл-диэлектрик-полупроводник. Зонная диаграмма и ее изменение при приложении напряжения.
Роль поверхностных состояний, подвижных и неподвижных зарядов в диэлектрике.
Гетероструктуры. Зонная диаграмма гетеро- р-n перехода. Коэффициент инжекции. Суперинжекция.
Одинарные и двойные гетероструктуры. Варизонные структуры.
Фотоэлектрические явления в полупроводниках. Поглощение излучения: собственное и примесное, экситонное и
на свободных носителях. Закон Бугера. Красная граница поглощения. Фотопроводимость. Спектральная
характеристика. Фотовольтаический эффект в р-n переходе. Эффекты, вызываемые поглощением
высокоэнергетического ядерного излучения в полупроводниках.
Излучение полупроводников. Прямые и непрямые переходы носителей заряда. Виды люминесценции: инжекционная,
катодо-, фото- люминесценция. Спектры излучения. Правило Стокса, антистоксова люминесценция. Квантовый выход.
Вывод излучения из полупроводников.
Лазерный эффект в полупроводниках. Индуцированное (стимулированное) излучение. Оптический резонатор,
усиление и генерация света. Пороговый ток.
Термоэлектрические явления. Термо- и гальваномагнитные эффекты. Эффект Холла. Электро-, магнито-,
акустооптические эффекты. Поверхностные акустические волны. Акустоэлектронные волны.
2. Приборы твердотельной электроники и микроэлектроники
Полупроводниковые диоды. Устройство и основные параметры. Выпрямительные и импульсные диоды. Варикапы.
Стабилитроны и защитные диоды. Туннельные диоды. Диоды СВЧ: детекторные и смесительные, диоды Шоттки,
pin - диоды, умножительные и параметрические, лавинно-пролетные, диоды Ганна. Полупроводниковые датчики
ядерных излучений.
Полупроводниковые транзисторы
Биполярные транзисторы. Принцип действия, основные параметры, их зависимость от температуры.
Частотные и импульсные характеристики. Диффузионно-дрейфовые транзисторы. Мощные транзисторы, в том числе
СВЧ. Транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
Тиристоры и их разновидности. Основные параметры.
Полевые транзисторы, принцип действия, основные параметры. Полевые транзисторы с р-п переходом, с барьером
Шоттки. МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналами р- и n- типов.
Шумы в транзисторах.
Полупроводниковые интегральные схемы. Транзисторы, диоды и другие элементы в интегральном исполнении.
Межэлементная изоляция. ИС, БИС, СБИС. Классификация микросхем по конструктивно-технологическому принципу:
МОП- и КМОП-ИС, биполярные (ТТЛ-, ЭСЛ-, И2Л-ИС); Би-КМОП; «кремний-на-изоляторе«
(«кремний-на-сапфире«)-ИС; GaAs-ИС на полевых транзисторах с барьером Шоттки (ПТШ)
Многослойные (объемные) ИС. Интеграция на пластине. Микросистемы (общее представление).
Микросхемотехника. Цифровые и аналоговые ИС. Базовые логические элементы: ТТЛ, ЭСЛ, МОП, КМОП, ПТШ.
Микропроцессоры. Полупроводниковые ЗУ. Программируемые логические матрицы. Базовые матричные кристаллы.
ЦАП - АЦП. Сигнальные микропроцессоры. ВИП и стабилизаторы напряжения. Операционные усилители.
Специфика интегральных СВЧ-устройств.
Оптоэлектроника.
Фотоприемники: фото- резисторы, -диоды, -транзисторы, -матрицы. Основные параметры и характеристики.
Фотоприемники ИК-диапазона, тепловизоры. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью.
Солнечные батареи: на монокристаллическом и аморфном кремнии, на поликристаллических пленках, с гетероструктурами.
Полупроводниковые лазеры (общее представление).
Светодиоды, параметры и характеристики. Суперяркие светодиоды. ИК-излучатели. Светодиодные дисплеи.
Полимерные светодиоды (общее представление).
Оптроны и оптоэлектронные ИС.
Оптические дисковые и голографические ЗУ. Волоконнооптические линии связи. Элементы оптической вычислительной
техники. Интегральная оптика.
Акустоэлектроника и акустооптика. Физические основы взаимодействия акустической волны с электронами твердого
тела и взаимодействия оптических и акустических волн в твердых телах и жидкостях. Основные материалы
акустоэлектроники и акустооптики и устройства на их основе для обработки аналоговых сигналов.
Магнитоэлектроника, криоэлектроника, твердотельные датчики (общее представление).
Краткий очерк истории твердотельных приборов и микроэлектроники. Даты важнейших открытий и изобретений.
Ученые, внесшие вклад в развитие твердотельной микроэлектроники и примыкающих к ней областей.
3. Технология микроэлектроники и твердотельных приборов.
Планарная технология - общая схема техпроцесса. Групповая обработка. Минимальный топологический
размер (МТР) - основной показатель уровня технологии. Степень интеграции ИС. Динамика МТР и степени
интеграции, закон Мура. Перспективы развития планарной технологии. Гибридная технология.
Микросборки и БИС на подложках.
Изготовление полупроводниковых пластин. Определение кристаллографической ориентации монокристаллов
полупроводников. Ориентированная резка, шлифовка, полировка пластин.
Химическое травление и химическая полировка кремния и арсенида галлия. Химико-механическая полировка.
Финишная очистка пластин. Методы контроля качества очистки.
Эпитаксия. Методы эпитаксиального выращивания кремния. Методы контроля качества эпитаксиальных слоев.
Распределение примесей в эпитаксиальных слоях. Дефекты эпитаксиальных пленок. Получение эпитаксиальных
гетеропереходов. Выращивание эпитаксиальных пленок А3В5. Оборудование для эпитаксиального выращивания
пленок. Сравнение газотранспортной, жидкофазной, МОС-гидридной и молекулярной эпитаксии.
Создание диэлектрических покрытий на кремнии. Термодинамика процесса окисления кремния. Физическая
модель процесса окисления кремния. Кинетика активного и пассивного окисления полупроводников. Структура
окисла на кремнии. Перераспределение примеси при термическом окислении кремния. Формирование диэлектрических
пленок методами осаждения из металлоорганических соединений.
Зарядовое состояние системы полупроводник-диэлектрик; факторы, влияющие на величину и знак заряда в системе.
Связь параметров полупроводниковых приборов и ИС с зарядовым состоянием системы кремний-окисел.
Диффузия в полупроводниках. Физические основы процесса диффузии. Основные уравнения. Граничные условия и
расчетные формулы для наиболее важных случаев диффузии. Методы проведения диффузионных процессов. Структурные
схемы диффузионных печей. Особенности диффузии в соединения А3В5.
Электронно-ионная технология. Методы получения электронных и ионных пучков. Ионное легирование.
Имплантация ионов. Плазмохимические и ионно-плазменные методы обработки полупроводниковых, диэлектрических
и металлических слоев. Дефекты, вносимые электронно-ионной обработкой, их устранение.
Конструктивные схемы ионных имплантеров и оборудования для электронно-ионной и ионно-химической обработки.
Металлизация. Получение тонких пленок термическим испарением в вакууме. Ионно-плазменное распыление.
Химическое осаждение из газовой фазы. Оборудование для получения тонких пленок. Материалы тонкопленочной
технологии.
Литография. Фотолитография. Основные типы оборудования для фотолитографии. Проекционная фотолитография,
электроннолучевая литография и рентгенолитография. Фотошаблоны и их изготовление. Дефекты микросхем,
связанные с фотолитографическими процессами.
Структуры элементов полупроводниковых ИС. Методы изоляции элементов. Технология структур «кремний
на изоляторе». Структура и свойства элементов ИС.
Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Корпуса полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем. Методы герметизации. Бескорпусные приборы. Методы отвода тепла в мощных
полупроводниковых приборах.
4. Моделирование, испытания, надежность приборов твердотельной электроники, радиоэлектроники и
изделий микро- и наноэлектроники.
Моделирование как основа проектирования приборов твердотельной, микро- и наноэлектроники. Методики построения
физических и математических моделей. Двух- и трехмерное моделирование. Примеры моделей транзисторов, элементов
микросхем. Системы моделирования и автоматизированного проектирования (общее представление).
Испытание изделий на устойчивость к воздействию внешних факторов: механических, климатических, радиационных.
Виды испытаний: приемосдаточные, периодические, квалификационные. Особенности поведения полупроводниковых приборов
и микросхем при различных видах радиационных и космических воздействий. Методы повышения радиационной стойкости приборов.
Основные положения, понятия и определения современной теории надежности. Статистические методы оценки и
прогнозирования показателей надежности и долговечности. Физика причин отказов полупроводниковых приборов и
микросхем. Катастрофические (внезапные) и деградационные (постепенные) отказы. Методы выявления потенциально
ненадежных приборов и микросхем. Ускоренные испытания и имитационные методы испытаний.
5. Радиоэлектронные компоненты.
Физические явления, определяющие электропроводность толстопленочных резистивных материалов.
Толстопленочные резисторы.
Основные типы постоянных и переменных резисторов.
Физические явления, определяющие емкостные свойства конденсаторов.
Типы, параметры и конструкции конденсаторов постоянной и переменной емкости.
Физические основы работы линий задержек на поверхностных акустических волнах.
Полупроводниковые термо- и фототранзисторы, позисторы, варисторы, болометры (общее представление)
6. Физические эффекты в малоразмерных твердотельных структурах, специфические приборы наноэлектроники
и методы их изготовления, основные принципы создания приборов на квантовых эффектах.
Размерное квантование в гетероструктурах. Примеры структур с размерно-квантованным энергетическим спектром: квантовые
ямы, квантовые нити и квантовые точки. Сверхрешетки. Туннелирование на одиночном барьере. Двухбарьерная структура.
Резонансно-туннельные диод и транзистор. Эффект Джозефсона.
Транспортные явления в малоразмерных полупроводниковых структурах. Модулированное легирование. Полевые транзисторы с
высокой подвижностью электронов (HEMT). Гетеропереходный биполярный транзистор.
Квантовый эффект Холла. Энергетический спектр носителей заряда в магнитном поле. Квантование холловского сопротивления
двумерного электронного газа в магнитном поле. Дробный квантовый эффект Холла.
Одноэлектроника. Квантование кулоновской энергии в мезоскопических системах. Явление кулоновской блокады
при туннелировании через переходы с малой емкостью. Одноэлектронные транзисторы и схемы на их основе.
Представления об элементной базе квантовых компьютерах - кубитах. Свойства кубита. Управление эволюцией кубита.
Элементарные одно-кубитовые и двухкубитовые операции как основа квантовых вычислений. Представление о принципах
квантовой связи на одиночных фотонах.
Основная литература
Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977.
Шалимова К.В. Физика полупроводников. М.: Энергия, 1976.
Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника. М.: Высш. шк., 1986.
Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. В 2 кн. М.: Мир, 1984.
Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника / Под ред. Н.Д. Федорова. М.: Радио и связь, 1998.
Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990.
Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. Л.: Энергоатомиздат, 1986.
Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1998.
Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы, материалы, приборы и их изготовление. М.: Мир, 1985.
Емельянов В.А. Быстродействующие цифровые КМОП БИС. Минск: Полифакт, 1998.
Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Радио и связь, 1989.
Фотоприемники видимого и ИК диапазонов / Под ред. В.И. Стафеева. М.: Радио и связь, 1985.
Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. М.: Наука, 1986
Тришенков М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. М.: Радио и связь, 1992.
Технология СБИС. В 2 кн. / Под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986.
Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. М.: Радио и связь, 1983.
Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. М.: Радио и связь, 1987.
Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. М.: Радио и связь, 1989.
Валиев К.А. Физические основы субмикронной фотолитографии. М.: Наука, 1990.
Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. М.: Мир, 1985.
Моделирование полупроводниковых приборов и технологических процессов / Под ред. Д. Миллера. М.: Радио и связь, 1989.
Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем. М.: Высшая школа, 1989.
Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. М.: Мир, 1988.
Козырь И.Я. Качество и надежность интегральных микросхем. М.: Высш. шк., 1987.
Базовые матричные кристаллы и матричные БИС / В.Г. Домрачев, П.П. Мальцев, И.В. Новаченко, С.Н. Пономарев. М.: Энергоатомиздат, 1992.
Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь, 1987.
Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы. М.: Радио и связь, 1989.
Валиев К.А., Кокин А.А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. М.: РХД, 2001.
Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. Новосибирск: НГТУ, 2000.
Арсенид галлия в микроэлектронике / Под ред. В.Н. Мордковича. М.: Мир, 1988.
Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. СПб: «Лань», 2002.
Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов. М.: Высш. шк., 1984.