01.04.10 – физика полупроводников

Специальность
Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 1 апреля 2014 г. № 93
 

Цели и задачи программы-минимум

Целью программы-минимум является формирование у соискателей ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 концептуального и целостного восприятия современной физики полупроводников при подготовке к сдаче ими кандидатского экзамена. Внимание уделено как теоретическим, так и прикладным аспектам этой области физики.

В процессе достижения этой цели реализуются следующая задача:

- приобщение соискателей к достижениям физики полупроводников для последующей профессиональной деятельности.

Требования к уровню знаний соискателя ученой степени

Должен знать:

- основы физики полупроводников, а также полупроводниковых приборов и технологии их изготовления.

Должен владеть:

- навыками практического использования полученной в процессе обучения информации;

- навыками самостоятельной научно-исследовательской и научно-педагогической деятельности.

Должен уметь:

- ориентироваться в современном информационном поле по физике и технике полупроводников;

- определять области использования новой информации, полученной в ходе научных исследований;

- выявлять научные проблемы, формулировать задачи исследования и выбирать необходимые методы;

- самостоятельно знакомиться с новыми достижениями физики и техники полупроводников для их эффективного использования.

Содержание курса

Физика полупроводников— раздел физики, в котором исследуются электрические, оптические, магнитные, тепловые и другие свойства полупроводниковых материалов — широкого класса неорганических и органических веществ — и приборных структур на их основе. В отличие от металлов (проводников электричества) у полупроводников электрическое сопротивление уменьшается при повышении температуры и/или освещении. Заполненные электронные состояния (уровни энергии) валентной зоны в кристаллических полупроводниках отделены запрещенной энергетической зоной от вакантных состояний зоны проводимости. Электроны подвижны в зоне проводимости, а дырки в валентной зоне. От диэлектриков полупроводники отличаются меньшей шириной запрещенной зоны (энергетической щели), т. е. количественно, а не качественно. Свойства полупроводниковых материалов сильно зависят от наличия атомов примесей и собственных дефектов структуры (кристаллической решетки). Процесс введения примесных атомов в материал называется легированием (допированием). Полупроводники оптимально сочетают высокую чувствительность к внешним воздействиям и возможность контролируемого формирования в них функциональных элементов с различными свойствами. Благодаря этому физика полупроводников служит основой для опто-, микро- и наноэлектроники, во многом определяющих технический прогресс современного общества.

Программа-минимум, состоящая из 11 разделов, определяет объем знаний по физике полупроводников, необходимых соискателям ученой степени кандидата физико-математических наук для сдачи кандидатского экзамена, выполнения диссертационной работы и использования в дальнейшей научной и педагогической деятельности. Список литературы включает ссылки на источники, достаточные для изучения физики полупроводников в объеме требований программы-минимум. Дополнительная литература может быть использована соискателями для расширения и углубления знаний. Программа-минимум разработана для специальности 01.04.10 — Физика полупроводников.

Материал программы-минимум основан на знаниях и представлениях, заложенных в курсах общей и теоретической физики, а также спецкурсах лекций по физике и технике полупроводников в высших учебных заведениях. Программа-минимум составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта.

Тема 1. Химическая связь. Методы получения полупроводниковых материалов

Ключевые слова: химическая связь; аллотропия; фазовые превращения; синтез кристаллов.

 1.1. Химические связи атомов в кристаллах: ван-дер-ваальсова, водородная, ионная, ковалентная, металлическая.

 1.2. Ковалентная химическая связь. Аллотропные формы углерода.

 1.3. Фазовые превращения и диаграммы состояния полупроводниковых материалов.

 1.4. Выращивание кристаллов из расплава. Молекулярно-лучевая эпитаксия.

 1.5. Технология получения кристаллического кремния.

 1.6. Синтез алмазов.

Тема 2. Кристаллография. Собственные атомные дефекты в полупроводниках

Ключевые слова: группы симметрии кристаллов; решетка Браве; индексы Миллера; точечные дефекты; дислокации; дефекты упаковки; поликристаллы.

 2.1. Пространственная группа симметрии кристалла. Сингонии (кристаллические системы). Точечные группы симметрии (кристалличе­ские классы).

 2.2. Решетки Браве. Индексы Миллера. Решетка типа алмаза.

 2.3. Геометрические конфигурации точечных дефектов кристаллической решетки.

 2.4. Краевые и винтовые дислокации. Вектор Бюргерса. Дефекты атомной упаковки. Дисклинации.

 2.5. Поликристаллические и аморфные полупроводники.

Тема 3. Зонная теория кристаллических полупроводников

Ключевые слова: зонная теория; эффективная масса; квазичастицы; квазиимпульс; зоны Бриллюэна; дырки.

 3.1. Уравнение Шредингера для электронов и ядер атомов кристалла. Адиабатическое и одноэлектронное приближения. Концепция квазичастиц.

 3.2. Теория квазисвободного и квазисвязанного электрона в кристалле. Модель Кронига–Пенни. Приближение эффективной массы.

 3.3. Трансляционная симметрия кристалла. Функция Блоха. Обратная решетка. Квазиимпульс электрона в c-зоне (дырки в v-зоне). Зоны Бриллюэна.

 3.4. Электронные вакансии (дырки) в ковалентных полупроводниках. Движение носителей заряда (электронов в c-зоне и дырок в v-зоне) во внешних силовых полях. «Горячие» электроны и дырки.

 3.5. Зонная теория кристаллических материалов: металл, полуметалл, бесщелевой полупроводник, собственный (нелегированный) полупроводник, диэлектрик.

 3.6. Энергетическая зонная структура кристаллов Ge, Si, GaAs и алмаза.

Тема 4. Примесные атомы в кристаллах. Легирование полупроводников

Ключевые слова: примесные атомы; энергия ионизации; диффузия атомов; радиационные дефекты; ионная имплантация; трансмутационное легирование.

 4.1. Водородоподобные примесные атомы в кристалле. Фактор вырождения энергетического уровня. Термическая и оптическая энергии ионизации примеси. Локальные центры (дефекты решетки) с отрицательной энергией корреляции в полупроводниках.

 4.2. Диффузия примесных атомов в полупроводниках. Законы Фика.

 4.3. Пороговая энергия образования атомных дефектов кристаллической решетки. Радиационные дефекты в полупроводниках.

 4.4. Легирование полупроводников ионным внедрением. Трансмутационное легирование кристаллов.

 4.5. Электрическая и магнитная активность примесных атомов и собственных дефектов в полупроводниках.

 4.6. Предельная растворимость атомов примесей в кристаллической матрице. Твердые растворы.

Тема 5. Статистическая термодинамика полупроводников

Ключевые слова: дефекты Френкеля и Шоттки; статистика фононов; статистика электронов и дырок; теплоемкость; уравнение состояния; уровень Ферми; переход Мотта; экранирование; кинетическое уравнение; дрейфовая подвижность.

 5.1. Равновесные концентрации дефектов Френкеля и Шоттки в кристаллах.

 5.2. Механические свойства полупроводников. Колебания кристаллической решетки. Акустические и оптические фононы.

 5.3. Распределение Бозе–Эйнштейна для фононов. Теплоемкость кристалла. Температура Дебая.

 5.4. Уравнение состояния, тепловое расширение и плавление кристаллического диэлектрика. Жидкие полупроводники (расплавы).

 5.5. Распределение Ферми–Дирака для электронов; уровень Ферми (химический потенциал). Концентрация электронов проводимости и дырок в нелегированном металле, полуметалле, бесщелевом и собственном полупроводниках.

 5.6. Температурная зависимость концентрации делокализованных электронов и дырок в слабо легированном кристаллическом полупроводнике.

 5.7. Сильно легированные полупроводники. Концентрационный фазовый переход кристаллического полупроводника из диэлектрического в металлическое состояние (переход Мотта).

 5.8. Экранирование электростатического поля в ковалентных полупроводниках. Приближения Дебая–Хюккеля и Шоттки–Мотта.

 5.9. Кинетическое уравнение Больцмана для электронов и фононов. Приближение времени релаксации.

 5.10. Рассеяние свободных электронов и дырок на акустических и оптических фононах в кристаллах. Подвижность электронов и дырок, ограниченная их рассеянием на ионах примесей.

 5.11. Миграция ионов примесей в кристаллических матрицах.

Тема 6. Гальваномагнитные и термоэлектрические явления в полупроводниках

Ключевые слова: зонная и прыжковая электропроводность; постоянный и переменный ток; классический и квантовый эффект Холла; эффекты Зеебека, Пельтье, Томсона; плотность состояний; теплопроводность; электрическая ёмкость диода с pn-переходом.

 6.1. Зонная электропроводность кристаллических полупроводников на постоянном токе. Эффективная масса электропроводности.

 6.2. Прыжковая миграция электронов (дырок) по водородоподобным атомам примеси в кристаллических полупроводниках.

 6.3. Электропроводность полупроводников на переменном токе. Плазменная частота.

 6.4. Классический эффект Холла. Магниторезистивный эффект.

 6.5. Квантование энергии электрона c-зоны (дырки v-зоны) в магнитном поле. Плотность одноэлектронных состояний.

 6.6. Решеточная и электронная теплопроводности полупроводниковых кристаллов. Акусто-электронные явления.

 6.7. Термоэлектрические и термомагнитные явления в полупроводниках.

 6.8. Квантовый эффект Холла (целочисленный и дробный).

 6.9. Инжекционные токи в полупроводниках. Отрицательная дифференциальная электропроводность. Электреты.

 6.10. Электрическая ёмкость полупроводникового диода с pn-переходом и диода Шоттки.

 6.11. Высокочастотная и низкочастотная ёмкости приборной структуры металл–диэлектрик–полупроводник.

Тема 7. Оптические процессы в полупроводниках. Генерация и рекомбинация носителей заряда

Ключевые слова: поглощение света; рекомбинация; экситоны; прямые и непрямые межзонные переходы.

 7.1. Фундаментальное (собственное) поглощение света в кристаллических полупроводниках. (Эффекты Бурштейна–Мосса и Франца–Келдыша.)

 7.2. Излучательная рекомбинация электронов c-зоны и дырок v-зоны в кристаллических полупроводниках. Соотношение Ван Русбрека–Шокли.

 7.3. Экситоны в прямозонных и непрямозонных полупроводниках. Излучательный распад экситона. Свободные и связанные экситоны.

 7.4. Безызлучательная рекомбинация электронов и дырок на примесных атомах (модель Шокли–Рида–Холла).

 7.5. Решеточное, примесное и межпримесное поглощение света в кристаллах. Принцип Франка–Кондона.

 7.6. Фотомагнитоэлектрический эффект в полупроводниках (эффект Кикоина–Носкова).

 7.7. Ударная рекомбинация (рекомбинация Оже). Рекомбинация свободных носителей заряда на поверхности. Межпримесная излучательная рекомбинация в кристаллах.

 7.8. Поглощение света свободными электронами и дырками в кристаллах.

 7.9. Излучательная и безызлучательная рекомбинации (электронов и дырок) в полупроводниках. Бесфононные линии излучения. (Оптический аналог эффекта Мёссбауэра.)

 7.10. Прямые и непрямые переходы электронов на диаграмме «энергия–квазиимпульс» в кристаллических полупроводниках. Вертикальные и невертикальные переходы на диаграмме «энергия–координата» в гетероструктурах.

Тема 8. Физика поверхности и границ раздела полупроводников

Ключевые слова: поверхность; электронное сродство; эмиссия; поликристаллы; поверхностные волны.

 8.1. Структура и свойства поверхности полупроводников. Окисление кристаллического кремния.

 8.2. Электронное сродство и термоэлектронная эмиссия из кристалла.

 8.3. Электронные состояния на поверхности кристалла. Автоэлектронная эмиссия в вакуум.

 8.4. Бикристаллы и поликристаллические полупроводники.

 8.5. Варизонные полупроводники; гетеропереходы.

 8.6. Поверхностные акустические и электромагнитные волны в кристаллах.

Тема 9. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов

Ключевые слова: зондовая и оптическая микроскопия; эллипсометрия; дифракционный анализ; четырехзондовый метод; резонансные методы; емкостная спектроскопия; люминесценция.

 9.1. Оптическая микроскопия поверхности полупроводников. Эллипсометрия полупроводниковых пленок.

 9.2. Дифракционный анализ структуры кристаллов. Условие Вульфа–Брэгга.

 9.3. Четырехзондовый метод измерения электрического сопротивления полупроводниковых материалов.

 9.4. Измерение гальваномагнитных и термоэлектрических эффектов в кристаллических полупроводниках.

 9.5. Циклотронный резонанс в полупроводниках. Определение эффективной массы делокализованных электронов и дырок.

 9.6. Электронный парамагнитный (спиновый) резонанс.

 9.7. Акустический парамагнитный резонанс в кристаллах.

 9.8. Ядерный магнитный резонанс. Томография.

 9.9. Зондовая микроскопия поверхности полупроводниковых материалов.

 9.10. Методы измерения фотопроводимости и работы выхода электронов из кристаллов.

 9.11. Емкостная спектроскопия полупроводниковых барьерных структур.

 9.12. Измерение электро-, катодо- и фотолюминесценции полупроводников. Пьезоспектроскопия кристаллов.

 

Тема 10. Низкоразмерные полупроводниковые элементы и структуры

Ключевые слова: размерные эффекты; квантование энергии квазичастиц; квантовые точки, проволоки, слои; сверхрешетки; фуллерены; нанотрубки; графен; метаматериалы; теория протекания; сверхпроводники.

 10.1. Классические и квантовые размерные эффекты в полупроводниках.

 10.2. Квантование энергии и плотность состояний делокализованных электронов в кристаллических пленках и проволоках (нитях).

 10.3. Электроны, дырки и экситоны в квантовых точках и слоях.

 10.4. Полупроводниковые сверхрешетки.

 10.5. Фуллерены и нанотрубки из углерода.

 10.6. Графен: технология, физика и применения.

 10.7. Фотонные кристаллы.Метаматериалы.

 10.8. Неупорядоченные полупроводники. Элементы теории протекания.

 10.9. Сверхпроводники электричества. Идеальный диамагнетизм.

 10.10. Эффект Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах.

Тема 11. Физика и технология полупроводниковых приборов

Ключевые слова: диод; полупроводниковые лазеры; диод Шоттки; транзистор; интегральные схемы; диод Ганна; светодиод; солнечные элементы; спинтроника; политроника; наноэлектроника; радиационная стойкость приборов.

 11.1. Выпрямление электрического тока на pn-переходе. Туннельный диод.

 11.2. Полупроводниковые гетеропереходы и лазеры на их основе.

 11.3. Диод Шоттки: электрический контакт металл–полупроводник. Гетеропереход металл–диэлектрик–полупровод­ник.

 11.4. Биполярные и полевые транзисторы: технология изготовления, принцип действия и схемы включения в электрическую цепь.

 11.5. Основные технологические этапы изготовления интегральных схем.

 11.6. Междолинные переходы электронов в c-зоне полупроводников. Диод Ганна.

 11.7. Термоэлектрические и гальваномагнитные полупроводниковые приборы.

 11.8. Полупроводниковые фотоприемники, светодиоды, лазеры.

 11.9. Солнечные элементы: физика и технология.

 11.10. Магнитные полупроводники. Спинтроника.

 11.11. Органические полупроводники. Политроника.

 11.12. Полупроводниковые приборы на квантоворазмерных эффектах. Наноэлектроника.

 11.13. Действие ионизирующих излучений на полупроводниковые приборы.

Список литературы

Основная литература

 1. Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы / Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля. – М.: Академия, 2005. – 192 с.

 2. Анималу, А. Квантовая теория кристаллических твердых тел / А. Анималу. – М.: Мир, 1981. – 574 с.

 3. Ансельм, А.И. Введение в теорию полупроводников / А.И. Ансельм. – М.: Наука, 1978. – 616 с.

 4. Бонч-Бруевич, В.Л. Физика полупроводников / В.Л. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников. – М.: Наука, 1990. – 688 с.

 5. Наноэлектроника: теория и практика / Борисенко В.Е. [и др.]. – М.: Бином, 2013. – 366 с.

 6. Брандт, Н.Б. Квазичастицы в физике конденсированного состояния / Н.Б. Брандт, В.А. Кульбачинский. – М.: Физматлит, 2005. – 632 с.

 7. Бургуэн, Ж. Точечные дефекты в полупроводниках. Экспериментальные аспекты / Ж. Бургуэн, М. Ланно. – М.: Мир, 1985. – 304 с.

 8. Гантмахер, В.Ф. Электроны в неупорядоченных средах / В.Ф. Гантмахер. – М.: Физматлит, 2005. – 232 с.

 9. Грибковский, В.П. Полупроводниковые лазеры / В.П. Грибковский. – Минск: Университетское, 1988. – 304 с.

10. Гроссе, П. Свободные электроны в твердых телах / П. Гроссе. – М.: Мир, 1982. – 272 с.

11. Демиховский, В.Я. Физика квантовых низкоразмерных структур / В.Я. Демиховский, Г.А. Вугальтер. – М.: Логос, 2000. – 248 с.

12. Зеегер, К. Физика полупроводников / К. Зеегер. – М.: Мир, 1977. – 616 с.

13. Зенгуил, Э. Физика поверхности / Э. Зенгуил. – М.: Мир, 1990. – 536 с.

14. Имри, Й. Введение в мезоскопическую физику / Й. Имри. – М.: Физматлит, 2002. – 304 с.

15. Киреев, П.С. Физика полупроводников / П.С. Киреев. – М.: Высш. шк., 1975. – 584 с.

16. Кобаяси, Н. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2005. – 134 с.

17. Кучис, Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования / Е.В. Кучис. – М.: Радио и связь, 1990. – 264 с.

18. Павлов, Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов / Л.П. Павлов. – М.: Высш. шк., 1987. – 239 с.

19. Пасынков, В.В. Полупроводниковые приборы / В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. – М.: Лань, 2001. – 480 с.

20. Поклонский, Н.А. Статистическая физика полупроводников. Курс лекций / Н.А. Поклонский, С.А. Вырко, С.Л. Поденок. – М.: КомКнига, 2005. – 264 с.

21. Розеншер, Э. Оптоэлектроника / Э. Розеншер, Б. Винтер. – М.: Техносфера, 2004. – 592 с.

22. Смит, Р. Полупроводники / Р. Смит. – М.: Мир, 1982. – 560 с.

23. Солимар, Л. Лекции по электрическим свойствам материалов / Л. Солимар, Д. Уолш. – М.: Мир, 1991. – 504 с.

24. Таиров, Ю.М. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов / Ю.М. Таиров, В.Ф. Цветков. – М.: Высш. шк., 1990. – 423 с.

25. Технология СБИС. В 2-х книгах / Под ред. С. Зи. – М.: Мир, 1986. – 404 с. + 453 с.

26. Шаскольская, М.П. Кристаллография / М.П. Шаскольская. – М.: Высш. шк., 1984. – 376 с.

27. Щука А.А. Наноэлектроника / А.А. Щука. – М.: Физматкнига, 2007. – 464 с.

28. Ю, П. Основы физики полупроводников / П. Ю, М. Кардона. – М.: Физматлит, 2002. – 560 с.

Дополнительная литература

 1. Алфёров, Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии / Ж.И. Алфёров // Успехи физических наук. – 2002. – Т. 172, № 9. – С. 1068–1086.

 2. Андрюшин, Е.А. Физические проблемы солнечной энергетики / Е.А. Андрюшин, А.П. Силин // Успехи физических наук. – 1991. – Т. 161, № 8. – С. 129–139.

 3. Биннинг, Г. Сканирующая туннельная микроскопия—от рождения к юности / Г. Биннинг, Г. Рорер // Успехи физических наук. – 1988. – Т. 154, № 2. – С. 261–278.

 4. Бойл, У.С. ПЗС — расширение человеческого зрения / У.С. Бойл // Успехи физических наук. – 2010. – Т. 180, № 12. – С. 1348–1349.

 5. Бэрк, Г.Ю. Справочное пособие по магнитным явлениям / Г.Ю. Бэрк. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 384 с.

 6. Вавилов, В.С. Полупроводники в современном мире / В.С. Вавилов // Успехи физических наук. – 1995. – Т. 165, № 5. – С. 591–594.

 7. Гейм, А.К. Случайные блуждания: непредсказуемый путь к графену / А.К. Гейм // Успехи физических наук. – 2011. – Т. 181, № 12. – С. 1284–1298.

 8. Гиавер, И. Туннелирование электронов и сверхпроводимость / И. Гиавер // Успехи физических наук. – 1975. – Т. 116, № 4. – С. 585–595.

 9. Гонда, С. Оптоэлектроника в вопросах и ответах / С. Гонда, Д. Сэко. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 184 с.

10. Грюнберг, П.А. От спиновых волн к гигантскому магнетосопротивлению и далее / П.А. Грюнберг // Успехи физических наук. – 2008. – Т. 178, № 12. – С. 1349–1358.

11. Гуляев, Ю.В. Акустоэлектроника (исторический обзор) / Ю.В. Гуляев // Успехи физических наук. – 2005. – Т. 175, № 8. – С. 887–895.

12. Джозефсон, Б. Открытие туннельных сверхпроводящих токов / Б. Джозефсон // Успехи физических наук. – 1975. – Т. 116, № 4. – С. 597–603.

13. Као, Ч.К. Песок давно минувших дней шлет в будущее голоса людей / Ч.К. Као // Успехи физических наук. – 2010. – Т. 180, № 12. – С. 1350–1356.

14. Килби, Дж.С. Возможное становится реальным: изобретение интегральных схем / Дж.С. Килби // Успехи физических наук. – 2002. – Т. 172, № 9. – С. 1102–1109.

15. фон Клитцинг, К. Квантованный эффект Холла / К. фон Клитцинг // Успехи физических наук. – 1986. – Т. 150, № 1. – С. 107–126.

16. Крёмер, Г. Квазиэлектрическое поле и разрывы зон. Обучение электронов новым фокусам / Г. Крёмер // Успехи физических наук. – 2002. – Т. 172, № 9. – С. 1087–1101.

17. Лафлин, Р.Б. Дробное квантование / Р.Б. Лафлин // Успехи физических наук. – 2000. – Т. 170, № 3. – С. 292–303.

18. Новоселов, К.С. Графен: материалы Флатландии / К.С. Новоселов // Успехи физических наук. – 2011. – Т. 181, № 12. – С. 1299–1311.

19. Смит, Дж.Е. История изобретения приборов с зарядовой связью / Дж.Е. Смит // Успехи физических наук. – 2010. – Т. 180, № 12. – С. 1357–1362.

20. Ферт, А. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники / А. Ферт // Успехи физических наук. – 2008. – Т. 178, № 12. – С. 1336–1348.

21. Цидильковский, И.М. Электроны и дырки в поле сил инерции / И.М. Цидильковский // Успехи физических наук. – 1975. – Т. 115, № 2. – С. 321–331.

22. Цуи, Д. Соотношение беспорядка и взаимодействия в двумерном электронном газе, помещенном в сильное магнитное поле / Д. Цуи // Успехи физических наук. – 2000. – Т. 170, № 3. – С. 320–324.

23. Штёрмер, Х. Дробный квантовый эффект Холла / Х. Штёрмер // Успехи физических наук. – 2000. – Т. 170, № 3. – С. 304–319.

24. Эсаки, Л. Путешествие в страну туннелирования / Л. Эсаки // Успехи физических наук. – 1975. – Т. 116, № 4. – С. 569–583.

25. Эткинс, П. Кванты. Справочник концепций / П. Эткинс. – М.: Мир, 1977. – 496 с.

26. Gaponenko, S.V. Introduction to nanophotonics / S.V. Gaponenko. – Cambridge: Cambridge University Press, 2010. – 465 p.