Министерство образования Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Новосибирский государственный технический университет»
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан факультета РЭФ
Проф. Хрусталев В.А.
«___»__________2008г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА по дисциплине
Элементы И приборы наноэлектроники
по направлению 2106000"Нанотехнология"
Факультет Радиотехники электроники и физики.
Кафедра Полупроводниковых приборов и микроэлектроники
Курс ________4______ Семестр ___8____
Лекции 34 час.
Семинары 17 час.
Расчетно-графическое задание 8 сем.
Экзамен 8 сем.
Всего часов 51 час.
Самостоятельная работа 66 час.
Новосибирск
2008
Особенности курса
Курс входит в число дисциплин, включенных в программу подготовки бакалавра по направлению 210600.
Цель курса: изучение принципов работы современных наноприборов, физических и математических моделей, позволяющих описывать имеющиеся и прогнозировать возможные физические явления в наноэлектронике.
Ядро курса –описание физических процессов, происходящих в отдельных элементах наноустройств, включая эффекты сильных полей в короткоканальных транзисторов, квантовые эффекты в низкоразмерных структурах, и в приборах на основе композиционных гетероструктур в условиях различных внешних воздействий.
Для успешного изучения курса студенту необходимо знать высшую математику, теоретическую физику, включающую следующие разделы: квантовую механику, электродинамику, термодинамику, статистическую физику, физику твердого тела и физику полупроводников.
В курсе прививается умение: анализировать результаты эксперимента; создавать адекватные физические и математические модели; проводить вычисления и анализировать результаты расчетов.
Курс имеет практическую часть (самостоятельная работа - 66 час.). Студенты самостоятельно знакомятся с современными наноприборами на основе молекулярных проводников, вычислителями на основе ДНК, принципами организации нанокомпьютеров, основы квантовой криптографии, читая оригинальные статьи в научных журналах.
Оценка знаний и умений студентов проводится с помощью расчетно-графического задания и экзамена, который включает в себя 25 вопросов по основным проблемам курса.
2. Требования государственного образовательного стандарта (ГОС) по направлению 2106000 ”Нанотехнология”
Квалификационные требования
Для компетентного и ответственного решения профессиональных задач студент:
должен знать: физические и математические модели, методы и средства экспериментального изучения объектов исследования.
должен уметь: использовать современные экспериментальные и теоретические методы и средства анализа и моделирования объектов профессиональной деятельности
3. Цели курса
Номер цели
|
Содержание цели
|
Студент будет иметь представление:
|
1
|
О современных принципах построения теоретических моделей физических процессов в нанообъектах
|
2
|
о методах теоретической физики и вычислительной математики, используемых в материаловедении, физике твердого тела и физике полупроводников.
|
3
|
о новейших методах получения, экспериментального исследования и характеризации нанобъектов.
|
4
|
о перспективных направлениях развития наноэлектроники.
| Студент будет знать |
5
|
понятийный аппарат (терминологию) дисциплины;
|
6
|
предмет курса: теоретические методы описания формирования нанообъектов, физические процессов в низкоразмерных структурах, ;
|
7
|
свойства твердых тел: диэлектриков, металлов, полупроводников.
|
8
|
особенности равновесных и неравновесных процессов на границе раздела гетероструктур, особенности переноса в низкоразмерных структурах;
|
9
|
основные экспериментальные методики исследования наноструктур;
|
10
|
основные физические явления, используемые для создания приборов наноэлектроники.
|
Студент должен уметь:
|
11
|
использовать основы теории твердого тела и термодинамики для постановки и решения задач описания процессов, происходящих в наноструктурах;
|
12
|
выдвигать и проверять гипотезы, делать обоснованный выбор методов исследования свойств нанообъектов;
|
13
|
проводить характеризацию нанообъетов в зависимости от поставленной задачи: уметь использовать методы структурного анализа, измерения электрофизических и оптических характеристик наноструктур;
|
14
|
выбирать и использовать для расчета параметров исследуемого объекта конкретные методы, сравнивать результаты расчета, полученные различными методами, вычислять новые параметры наноструктур;
|
15
|
прогнозировать изменение свойств объектов при изменении внешних условий или воздействий;
|
16
|
представлять результаты решения отдельных задач.
|
4. Структура курса
Модуль 1
Полевые нанотранзисторы
|
Полевой транзистор с изолированным затвором и его характеристики. Механизмы токопереноса, теоретические и технологические пределы уменьшения размеров. Принципы и ограничения масштабирования. Эффекты сильных полей в короткоканальных МДПТ. Деградация характеристик МДПТ, вызванная горячими носителями. Всплеск скорости носителей.
|
|
Модуль 2
МДП структуры
|
. Метод поверхностной проводимости. Метод эффекта поля. Методы определения плотности ПС на основе измерений емкости МДП- структур. Метод накачки заряда как метод определения параметров ПС в МДП транзисторе.
|
|
Модуль3
Полупроводниковые гетеропереходы
|
Приборы на основе композиционных гетероструктур. δ- легированние гетероструктуры. Гетероструктуры с квантовыми точками. Спонтанное упорядочение полупроводниковых структур. Формирование квантовых точек. Упорядоченные массивы трехмерных когерентно напряженных островков.
|
|
Модуль4
Основы одноэлектроники
|
Одноэлектронный транспорт. Кулоновская блокада. Кулоновская лестница.
|
|
Модуль 5
Спинтроника
|
Магниточувствительные элементы в системах записи считывания информации, энергозависимые ячейки памяти, спиновые клапаны, элементы на основе спинзависящего туннелирования.
|
|
Модуль 6
Основы криптографии.
|
Перспективная элементная база квантовых компьютеров. Кубиты, основные логические операции. Примеры реализации.
|
|
Модуль 7
Мезоскопические приборы
|
Изготовление мезоскопических структур. Квантовые проводники, электронные квантовые интерферометры.
|
|
Модуль 8
Молекулярная электроника
|
Приборы на основе молекулярных проводников. Фуллерены и их производные, нанотрубки
|
|
Модуль 9
Искусственные нейронные сети
|
Нейроны. Иску́сственный нейро́н. Классификация нейронов. Передаточная функция нейрона. Известные применения нейронных сетей: Распознавание образов и классификация. Обучение сети.
|
|
5. Содержание курса
Ссылки на цели курса
|
Часы
|
Темы лекционных занятий
|
1, 3-5
|
2
|
Введение. Полевые нанотранзисторы: механизмы токопереноса, теоретические и технологические пределы уменьшения размеров. Принципы и ограничения масштабирования.
|
2, 5, 6, 12
|
2
|
Полевой транзистор с изолированным затвором. ВАХ МДПТ. Эффекты сильных полей в короткоканальных МДПТ (включая биполярные эффекты). Деградация характеристик МДПТ, вызванная горячими носителями.
|
5, 6, 8
|
2
|
Уравнение Пуассона. Решение в случае невырожденной статистики. Разновидности ОПЗ (обогащение, обеднение, инверсия). Заряд и емкость ОПЗ. Статистика заполнения поверхностных состояний. Заряд и емкость поверхностныз состояний (ПС).
|
5, 6, 8
|
2
|
Зонная диаграмма МДП - структуры. Влияние контактной разности потенциалов, встроенного заряда и поверхостных состояний. МДП структура при внешнем смещении.
|
5, 8, 9
|
2
|
Экспериментальные методы измерения поверхностного потенциала и плотности ПС. Исследование поверхности с помощью эффекта поля.. Вольт- фарадная характеристика (ВФХ). Эквивалентные схемы на высоких и низких частотах. Обработка ВЧ ВФХ. Метод накачки заряда как метод определения параметров ПС в МДП транзисторе (пространственное и энергетическое распределения ПС).
|
5, 6
|
2
|
Моделирование характеристик короткоканальных МДП транзисторов (диффузионно-дрейфовое приближение, гидродинамическое приближение, локально-полевое приближение). Всплеск скорости носителей (для Si и GaAs).
|
|
2
|
Полупроводниковые гетеропереходы. Приборы на основе композиционных гетероструктур. δ- легированние гетероструктуры
|
3-6, 9
|
2
|
Технология получения и структурные исследования трехмерных наноостровков. Требования, предъявляемые к квантовым точкам (минимальный и максимальный размеры).
|
3-6, 9
|
3
|
Основы одноэлектроники. Одноэлектронный транспорт. Квантовые точки. Кулоновская блокада. Примеры реализации одноэлектронных приборов.
|
3, 9
|
3
|
Спинтроника. Материалы с гигантским магнетосопротивлением. Магниточувствительные элементы в системах записи считывания информации, энергозависимые ячейки памяти, спиновые клапаны, элементы на основе спинзависящего туннелирования.
|
1, 2, 5, 9, 11
|
2
|
Мезоскопические приборы. Изготовление мезоскопических структур. Квантовые проводники, электронные квантовые интерферометры.
|
1, 2, 5, 7, 8, 10
|
3
|
Перспективная элементная база квантовых компьютеров. Кубиты, основные логические операции. Примеры реализации. Основы криптографии.
|
2, 5, 7, 10
|
3
|
Молекулярная электроника. Приборы на основе молекулярных проводников
|
2, 5, 10
|
2
|
Фуллерены и их производные, нанотрубки.
|
3, 5, 10
|
2
|
Искусственные нейронные сети. Нейроны. Иску́сственный нейро́н. Классификация нейронов. Передаточная функция нейрона. Известные применения нейронных сетей: Распознавание образов и классификация. Обучение сети.
|
Вопросы и задачи по курсу
Ссылки на цели курса
|
Часы |
Темы |
Решая задачи, студент:
|
12, 13, 15,
|
2
|
Оценка поверхностной энергии гранецентрированного металла по теплоте испарения.
|
Должен уметь пользоваться модельными представлениями о поверхностной энергии (атомистическая модель в приближении 1-х и 2-соседей). Владеть навыком работы со справочными материалами;
|
12, 16,
|
2
|
Оценка плотности адатомов на сингулярной поверхности полупроводника, окруженной собственным паром при заданной температуре.
|
-проводит расчет концентрации атомов на поверхности кремния исходя из параметров полупроводникового материала, температурных условий. Прогнозирует концентрацию атомов на поверхности кремния в равновесных условиях;
|
12, 16
|
2
|
Оценка времени жизни адатома на поверхности полупроводника, до испарения при заданной температуре в условиях термодинамического равновесия.
|
-выбирает соответствующую модель и выполняет расчет; расчет выполняется для кремния и различных кристаллографических направлений поверхности и температур;
|
12, 15-16
|
2
|
Оценка диффузионной длины адатомов на поверхности полупроводника по известному значению энергии активации поверхностной диффузии.
|
-проводит расчет для основных полупроводников и различных кристаллографических направлений; данные по энергии активации находит самостоятельно в справочниках и текущей научной литературе;
|
12, 14
|
2
|
Вычисление проводимости, подвижности и коэффициента диффузии полупроводника с заданными параметрами.
|
-решает задачу определения оптимального метода вычисления искомых параметров;
|
12, 15,
|
2
|
Вычисление изгиба зон на поверхности полупроводника при адсорбции на поверхности примеси с заданной плотностью.
|
-выбирает модель для расчета изгиба зон на поверхности полупроводника; рассчитывает величину изгиба зон для заданного полупроводника и различных концентрациях поверхностной примеси, анализирует полученные результаты;
|
15
|
2
|
Вычисление заряда поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик по значениям поверхностного потенциала. Сравнение заряда на поверхностных состояниях с зарядом ОПЗ для полупроводника с заданным уровнем легирования.
|
- выбирает модель плотности состояний (равномерное распределение, моноуровень и т.д.), для расчета заряда поверхностных состояний; проводит расчет для кремния с заданным уровнем легирования, анализирует полученные результаты;
|
15,
|
2
|
Определение заряда на поверхностных состояниях по заданной величине поверхностной проводимости.
|
- использует теоретические знания по физике поверхности, проводит расчет для конкретных полупроводниковых материалов;
|
15,
|
2
|
Определение толщины слоя диэлектрика в МДП структуре по заданному изгибу энергетических зон.
|
- выбирает модель для расчета толщины диэлектрика в зависимости от условий задачи. Проводит расчет для конкретных МДП структур, необходимые данные находит самостоятельно в справочной литературе;
|
15,
|
2
|
Вычисление емкости МДП структуры при условии «плоских зон»
|
- выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для конкретной системы, необходимые данные находит самостоятельно в справочной литературе;
|
15,
|
2
|
Определение напряжения плоских зон МДП структуры с учетом встроенного заряда.
|
-выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для системы р Ge-SiO2-Al с заданными параметрами,;
|
15, 17
|
2
|
Определение напряжения плоских зон МДП структуры с учетом заряда на поверхностных состояниях.
|
выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для конкретной системы с заданными параметрами, анализирует, как изменится напряжение плоских зон при увеличении толщины оксида;
|
15, 17
|
2
|
Определение напряжения плоских зон МДП структуры с учетом встроенного заряда и заряда на поверхностных состояниях
|
выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для заданной системы, анализирует как изменится напряжение плоских зон при уменьшении толщины диэлектрика, при замене одного диэлектрика другим (на конкретных примерах);
|
15, 17
|
2
|
Определение встроенного заряда в МДП структуре с заданными параметрами по величине напряжения плоских зон
|
выбирает модель для расчета напряжения плоских зон, проводит расчет для определенной системы с различными параметрами, анализирует как изменится величина встроенного заряда при изменении знака напряжение плоских зон;
|
12, 14, 15, 17
|
2
|
Оценки влияния эффектов разогрева носителей в короткоканальных транзисторах
|
выбирает модель для оценки деградации характеристик МДП-транзисторов, проводит расчет для оценки времени протекания подзатворного тока для заданных параметров подзатворного диэлектрика, величины затворного тока, параметров ловушек и величины сдвига порогового напряжения;
|
12, 15, 16, 17
|
4
|
Контрольная работа, включающая проведение оценочных вычислений различных параметров
|
Выполняет тест из 6 заданий, которые проверяют степень знаний и умений студентов в соответствии с указанными целями. Определяет выбор применения физической и математической модели для расчета искомых параметров заданной МДП структуры.
|
Ниже в таблице приведена рейтинговая система оценки работы студента по отдельным видам деятельности.
-
Вид деятельности
|
Максимальный рейтинг
|
Достаточный рейтинг для зачета
|
Расчетно-графическое задание
|
50
|
30
|
Теоретический опрос
|
50
|
30
|
Итого:
|
100
|
60
|
Для получения зачета необходимо набрать не менее 60 баллов.
Литература по курсу
«Элементы и приборы наноэлектроники»
Основная:
Г.Я. Красников. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Часть 1, Москва: Техносфера, 2002.
Ю.И. Головин. Введение в нанотехнику. М.:Машиностроение, 2007.
А.Ф. Кравченко, В.Н. Овсюк. Электронные процессы в твердотельных системах пониженной размерности. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2000.
А.Ф. Кравченко. Магнитная электроника. Новосибирск: Изд-во Со РАН, 2002.
В.П.Драгунов, И.Г.Неизвестный, В.А.Гридчин. Основы наноэлектроники: Учеб. Пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000, 2004.
И.Г.Неизвестный, Н.Б.Придачин. Физика поверхности полупроводников. Ч.1-2, - Новосибирск: НГТУ, 1994.
Дополнительная:
R.Waser Nanoelectronics and Information Technology. Advanced Electronic Materials and Novel Devices. WILEY-VCH Verlag, 2005.
С.Зи. Физика полупроводниковых приборов. М.:Мир, 1984.
В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников. Физика полупроводников.- М.: Наука, 1977.
Ю.Пожела. Физика быстродействующих транзисторов. Вильнюс, МОКСЛАС, 1089.
Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. Отв.ред.А.Л.Асеев., Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004.
Д.Бауместер, А.Экерт, А.Цайлингер. Физика квантовой информации. Москва: Постмаркет, 2002.
П.Ю, М.Кардона. Основы физики полупроводников, М.:ФИЗМАТЛИТ, 2002.
П.В.Павлов, А.Ф.Хохлов. Физика твердого тела. М.:Высш.шк., 2000.
М.Праттон. Введение в физику поверхности. М.Ижевск, РХД, 2000.
З.Д.Квон, Л.К.Попов. Электронные процессы в тонких слоях полупроводников. Учебное пособие, Новосибирск, НГУ, 2001
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для подготовки бакалавров техники и технологии по направлению 210600 «Нанотехнология» Стандарт утвержден 18.01.06, регистрационный номер-734тех/бак.
Рабочая программа обсуждена и утверждена методическом семинаре кафедры ППиМЭ
14 апреля 2008г. г.
Программу составил доц. Н.Л.Шварц
Зав. Кафедрой ППиМЭ проф. Гридчин В.А.
Ответственный за основную Дикарева Р.П.
образовательную программу
доцент каф. ППиМЭ
|
