05.27.01 – Programa examenului de doctorat
Conţinutul cursului
Fizica semiconductorilor
Natura legăturilor chimice în semiconductori. Structura cristalelor. Cristale ideale şi reale. Defecte în cristale. Proprietăţile substanţelor monocristaline de bază ale microelectronicii: Si, Ge, compu;ii A3B5 şi A2B6. Semiconductori policristalini şi amorfi.
Teoria benzilor energetice ale corpului solid. Spectrul energetic al electronilor în metale, semiconductori şi dielectrici. Zona de conductibilitate şi zona de valenţă. Masa efectivă a electronilor. Semiconductori intrinseci şi cu impurităţi. Rolul impurităţilor donoare şi acceptoare. Bazele fizicii statistice. Funcţia de distribuţie Fermi-Dirac. Concentraţia electronilor şi a golurilor în benzi. Dependenţele lor de temperatură. Distribuţia Boltzman. Criteriul de degenerare a gazului electronic. Semiconductori degeneraţi şi nedegeneraţi.
Recombinarea “Zona-zonă” şi recombinarea prin intermediul impurităţilor şi al defectelor. Teoria recombinării Shocley-Read. Lungimea de difuzie şi timpul de viaţă a purtătorilor de sarcină. Recombinarea de suprafaţă.
Conductibilitatea electrică a semiconductorilor. Comportarea purtătorilor de sarcină electrică în câmp electric slab. Interacţiunea lor cu fononii, cu atomii impurităţilor şi cu defectele. Mobilitatea electronilor şi a golurilor. Condiţia de neutralitate electronică. Difuzia şi derivarea purtătorilor de sarcină electrică. Relaţia Einstein. Purtătorii de sarcină în câmp electric puternic. Electronii fierbinţi. Multiplicarea în avalanşă a purtătorilor de sarcină în semiconductori. Domenii electrice şi şnururi de curent. Efectul Gunn.
Ecuaţia densităţii curentului electric în semiconductori. Ecuaţia de continuitate. Ecuaţia Poisson. Joncţiunea p-n. Injectarea şi extracţia purtătorilor de sarcină minoritari. Caracteristica de barieră şi de difuzie. Străpungerea termică, în avalanşă şi de tunel a joncţiunii p-n. Heterojoncţiunile. Contactul metal-semiconductor. Joncţiuni Schottky omise şi de redresare.
Stări de suprafaţă. Structuri metal-dielectric-semiconductor (MDS). Efectul de câmp în structurile MDS. Capacitatea electrică a structurilor MDS. Conductibilitatea termică a semiconductorilor. Fenomene termoelectrice: efectul Zeebec, coeficientul forţei termoelectromotoare. Efectele termo- şi galvano-magnetice. Efectul Hall.
Absorbirea radiaţilor în semiconductori. Absorbţia intrinsecă şi prin impurităţi, absorbţia de către exitoni şi purtătorii de sarcină lideri. Fotoconductibilitatea. Caracteristicile spectrale ale fotoconductibilităţii.
Efecte de radiaţie în semiconductori. Tranziţiile directe şi indirecte ale purtătorilor de sarcină. Tipurile de luminescenţă: prin injectare, catodică şi fotoluminescenţă. Electroluminescenţa semiconductorilor în formă de praf şi de pelicule. Materialele de bază ale optoelectronicii: compuşii A3B5 şi A2B6.
Efectele elecrtro-magneto- şi acusto-optice în corp solid.
Dispozitive ale electronicii, microelectronicii şi nanoelectronicii pe baza de corp solid
Diode semiconductoare. Parametrii şi caracteristicile de bază ale diodelor, dependenţa lor de temperatură şi de regimul de lucru. Scheme echivalente. Proprietăţile de impuls şi de frecvenţă ale diodelor. Diode redresoare şi de impuls. Diode cu acumulare de sarcină. Diode varicap (varactoare). Varistoare. Diode Zener (stabilizatoare de tensiune). Diodele tunel şi inverse. Diode cu cascade. Diode Schottky. Diode Gunn. Diode pentru curent cu frecvenţă supraînaltă.
Tiristoare, principiul de funcţionare şi clasificarea lor. Parametrii şi caracteristicile de bază. Tipuri de tiristoare. Tiristoare pentru invertoare. Tiristorul asimetric. Tiristorul cu conducţie inversă. Optotiristorul. Tiristoare cu blocare pe poartă (GTO). Diacul. Triacul.
Tranzistooare bipolare. Structura şi principiul lor de lucru. Distribuţia purtătorilor de sarcină în tranzistoare. Efectul Erli. Parametrii şi caracteristicile de bază ale tranzistoarelor, dependenţele lor de temperatură şi de regimul de lucru. Schemele echivalente şi modelele matematice ale tranzistorului: modelele Ebers-Moll, Linvill şi modelul de sarcină. Caracteristicile de impuls şi de frecvenţă ale tranzistorilor. Străpungerea tranzistorului. Zgomotul în tranzistori. Tranzistorul de putere. Tranzistoare de frecvenţă supraînaltă.
Tranzistoare de câmp. Principiile de funcţionare. Parametrii şi clasificarea lor. Caracteristicile lor de bază. Tranzistoare de câmp MDS, cu joncţiune p-n şi barieră Schottky. Principiul de funcţionare. Modularea adâncimii canalului. Parametrii şi caracteristicile de bază ale tranzistoarelor de câmp. Schemele echivalente ale tranzistoarelor de câmp. Caracteristicile de impuls şi de frecvenţă ale tranzistoarelor de câmp. Zgomotul tranzistoarelor de câmp în diapazonul frecvenţelor joase şi a celor supraînalte. Tranzistoare–MOS cu canale incorporate şi induse.
Scheme Integrate ( SI ). Tranzistoarele, diodele, rezistoarele şi condensatoarele în cadrul schemelor integrate. Clasificarea SI după criteriul de funcţionare şi construcţie. Scheme integrate analogice şi digitale. Structuri semiconductoare de memorie şi microprocesoare. Scheme bipolare. SI MDS cu canal p- şi n-.
Dispozitivele cu legătura de sarcină. Parametrii de bază şi domeniile de utilizare.
Dispozitive optoelectronice. Destinaţia şi domeniile de utilizare. Fotoreceptoarele: fotodiodele, fototranzistorii, diodele în cascadă. Parametrii şi caracteristicile de bază: fotosensibilitatea, capacitatea de detecţie, viteza de acţiune. Baterii solare. Emiţători semiconductori: diodele de lumină şi laserii. Dispozitive integrate pentru sistemele de vizualizare a informaţiei. Optronii şi microcircuitele optoelectronice.
Aparatele semiconductoare termoelectrice şi galvanometrice. Traductoarele pe bază de corp solid, inclusiv convertizoarele de informaţie microelectronice. Acustoelectronica, magnetoelectronica, crioelectronica (concepţii generale). Electronica funcţională.
Procesele tehnologice la producţia dispozitivelor semiconductoare şi a microschemelor integrate
Determinarea direcţiilor cristalografice ale semiconductorilor. Tăierea orientată, şlefuirea şi polizarea (plăcilor). Decaparea (corodarea) chimică şi polizarea chimică a germaniului, siliciului, arsenidului de galiu. Polizarea chimico-mecanică. Curăţirea finală a plăcilor. Metodele de control a calităţii curăţirii.
Tehnologia planară. Bazele fizice ale procesului de difuzie. Condiţiile de graniţa şi formulele de calcul pentru cele mai însemnate cazuri particulare de difuzie. Metode practice de efectuare a proceselor de difuzie. Schemele de structură a cuptoarelor de difuzie.
Metodele de obţinere a fasciculelor de electroni şi ioni. Doparea ionică. Metodele plasmo-chimice şi plasmo-ionice de prelucrare a straturilor semiconductoare, dielectrice şi metalice. Defectele introduse în timpul prelucrării electrono-ionice şi înlăturarea acestora. Schemele de construcţie ale principalelor tipuri de instalaţii pentru prelucrarea electrono-ionică şi iono-chimică a structurilor.
Epitaxia. Creşterea epitaxiala a Si şi Ge. Creşterea epitaxială a heterojoncţiunilor, structurilor de tip A3B5. Metodele de control a structurilor epitaxiale. Distribuţia impurităţilor în straturile epitaxiale. Instalaţii pentru creşterea epitaxială prin metodele transportului din fază gazoasă, din faza lichidă şi cu fascicol molecular.
Oxidarea termică a siliciului în vapori de apă, în oxigen uscat şi umed; pulverizarea şi condensarea oxizilor de siliciu în vid; oxidarea anodică; depunerea (precipitarea) chimică a oxizilor din bază gazoasă. Capacitatea de mască a peliculelor de dioxid de siliciu. Impurităţi încărcate în pelicule, metodele de măsurare a sarcinii peliculelor. Pelicule de nitrură de siliciu, metode de obţinere şi proprietăţi.
Obţinerea peliculelor subţiri prin metoda evaporării termice în vid. Metodele iono-plasmă şi magnetron de obţinere a peliculelor. Depunerea chimică din fază gazoasă. Instalaţiile pentru obţinerea peliculelor subţiri. Materiale pentru tehnologia peliculelor subţiri.
Fotolitografia. Instalaţii pentru fotolitografie. Fotolitografia proiectivă, electrono- şi roentgenolitografia. Fotoşabloanele şi fabricarea lor. Defectele microcircuitelor legate de procesele fotolitografice.
Bazele construirii structurilor SI semiconductoare. Metodele de izolare a elementelor schemelor. Structura şi proprietăţile elementelor SI. Asamblarea dispozitivelor semiconductoare şi a microcircuitelor integrate. Metodele de ermetizare. Metodele de evacuare a căldurii din dispozitivele cu semiconductori. Tendinţele de dezvoltare a tehnologiei planare. Nanotehnologia.
Nanoelectronica şi dispozitive pe baza efectelor cuantice
Efectul de cuantificare dimensională. Tipurile de bază de micro- şi nanostructuri : puncte cuantice, micro- şi nanofire, pelicule, suprareţele, matrice template cu nanofire, matrice de puncte cuantice. Tunelarea. Transportul balistic. Efecte de spin.
Legităţile de bază ale transferului purtătorilor de sarcină în sistemele unidimensionale de bariere potenţiale : treaptă, groapă, barieră.
Elemente ale structurilor dimensional limitate: suprafaţa liberă, graniţe de divizare, clustere. Modelarea configuraţiilor atomice în nanoctructuri.
Spectrul energetic al purtătorilor de sarcină în sisteme dimensional limitate. Structuri cu multe bariere. Suprareţele compozite. Suprareţele dopate. Structuri dopate modulat şi de tip delta. Suprareţele orientate.
Structuri cu cuantificare indusă de câmp electric exterior: structuri MDS, heterostructuri, structuri cu electrod despicat. Cuantificare de suprafaţă. Gaz electronic bidimensional. Densitatea de stări în câmp magnetic.
Transportul purtătorilor de sarcină balistic şi cuasibalistic în structuri submicronice şi nanodimensionale. Purtători de sarcină fierbinţi. Influenţa câmpului magnetic asupra transportului purtătorilor de sarcină. Aharonov-Bohm. Efectul cuantic Hall: integral şi fracţionar.
Proprietăţile optice ale structurilor nanodimensionale. Fononii, exitonii, polearitonii şi plasmonii în structuri de dimensiuni reduse.
Tunelarea purtătorilor de sarcină. Efectul Josefson. Tunelarea de rezonanţă în sistema cu două bariere. Caracteristicile de frecvenţă ale structurii cuantice cu două bariere. Tunelarea în sistema periodică cu bariere.
Efectul blocadei Culomb. Tunelarea unielectronică. Puncte cuantice permanente şi induse. Dispozitive pe baza efectului de tunelare unielectronică – verticale, orizontale, pe baza masivelor de puncte cuantice. Tranzistorul unielectronic.
Spintronica. Efectul magnetorezistenţei gigantice, magnetorezistenţa de tunelare. Dispozitive pe baza spin-efectelor.
Dispozitive electronice pe baza efectelor cuantice. Tranzistoare interferenţiale. Diode şi tranzistoare pe baza efectului tunelării de rezonanţă. Comutatoare şi relee atomice.
Dispozitive optoelectronice pe baza efectelor cuantice dimensionale. Lasere pe structuri dimensional-cuantice. Structuri de iradiere a luminii pe baza sistemelor Ge-Si. Foto- şi electroluminiscenţa siliconului poros. Foto-detectori pe bază de suprareţele. Foto-detectori de infraroşu pe baza gropilor cuantice.
Metode tehnologice de formare a structurilor nano-dimensionale. Depunerea din faza gazoasă cu utilizarea compuşilor metaloorganici. Epitaxia cu fascicol molecular. Litografia cu fascicol de electroni. Ingineria atomică cu utilizarea microscopului de tunel şi atomic de forţă. Metodele ingineriei de sondă. Metode nanolitografice. Structuri nanodimensionale autoorganizate. Materiale nanostructurate de tipul dielectric-metal, dielectric-semiconductor; silicon poros, nanotuburi de carbon, fulereni, nanostructuri biologice.
Problema asigurării calităţii şi viabilităţii dispozitivelor cu semiconductori şi schemelor integrate
Organizarea controlului calităţii dispozitivelor cu semiconductori şi microcircuitelor integrate. Metodele de măsurare a parametrilor statistici, dinamici şi de impuls. Metodele de măsurare a caracteristicilor de zgomot ale schemelor integrate pe scară mare (SIM) şi supra-mare (SISM).
Tipurile de testare în producţie. Caracteristicile cantitative ale viabilităţii elementelor SI. Metodele statice şi fizice de analiză şi de pronostic a nefuncţionărilor. Metodele de sporire a viabilităţii dispozitivelor cu semiconductori şi SI. Acţiunea radiaţiei asupra dispozitivelor cu semiconductori şi microtraductoare.
Literatura de specialitate
- Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников М., Наука 1977.
- Шалимова К.В. Физика пполупроводников. М., Энергия 1976.
- З.С.М Физика полупроводниковых приборов в 2-х книгах М., Мир 1984.
- Федотов Я.А. Основы физики полупроводников приборов М, Сов. радио. 1972.
- Степаненко И.П. Основы микроэлектроники М, Сов. радио.1980.
- Носов Ю.Р. Оптоэлектроника М., Сов. радио, 1972.
- Курносов А.И. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М., Высшая школа 1983.
- Березин А.С., Мочалькин О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. М., Радио и связь, 1993.
- Валиев К.А., Раков А.В. Физические основы субмикронной литографии. М., Мир, 1985.
- Тилл У. Лаксон Дж. Интегральные схемы, материалы, приборы, изготовление. М., Мир. 1985.
- Броудай И., Мережей Дж. Физические основы микротехнологии. М., Мир, 1985.
- Бурген Р. Донован Р. Oкисление, диффузия, эпитакcия. М., Мир, 1986.
- Киреев В.Ю. Данилин Б.С., Кузнецов В.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление микроструктур. М., Радио и связь, 1983.
- M. Bodea (coordonator) Diode şi tiristoare de putere. Bucureşti, Editura Tehnică, 1989.
- Andrei P. Silard Tiristoare cu blocare pe poarttă GTO. Bucureşti, Ed. Tehn., 1990.
- P. Gaşin, P. Gaugaş, A. Focşa. Fizica dispozitivelor semiconductoare. F.E.P. "Tipografia Centrală" Chişinău,1998.
