Квантовые основы электроники

Квантовые основы электроники : учебное пособие, CD, PDFАвтор: В. Л. Орлов
Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения по направлению «Электроэнергетика и электротехника».



Охватывает основные темы изучаемой дисциплины: элементы квантовой механики; статистику носителей заряда в полупроводниках; кинетические явления в полупроводниках; контактные явления в полупроводниках; поверхностные явления.

Содержание

Введение
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
1.1 Основные представления квантовой механики
1.1.1 Макромир и микромир
1.1.2 Основные понятия квантовой механики
1.1.3 Волновой дуализм де Бройля
1.1.4 Принцип неопределенности Гейзенберга
1.1.5 Принцип запрета Паули
1.1.6 Волновая функция
1.1.7 Уравнение Шредингера
1.1.8 Волновые свойства свободных частиц
1.1.9 Квантование энергии. Частица в потенциальном ящике
1.1.10 Туннельный эффект
1.1.11 Квантовое состояние и вырождение
1.2 Электронные состояния в твердых телах
1.2.1 Энергетические уровни атома
1.2.2 Подвижность электронов
1.2.3 Энергия Ферми
1.2.4 Эффективная масса электрона
1.3 Кристаллическое и аморфное состояния вещества
1.3.1 Понятие кристаллической решетки
1.3.2 Симметрия кристаллов
1.3.3 Решетки Браве
1.3.4 Плотнейшие упаковки шаров
1.3.5 Аморфное состояние вещества
1.3.6 Энергетический спектр аморфных твердых тел
1.3.7 Аморфные полупроводники, диэлектрики и металлы
1.3.8 Модели аморфной структуры
1.4 Энергия связи в кристаллической решетке
1.4.1 Расчет энергии связи двух атомов
1.4.2 Зонная теория твердого тела
Глава 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
2.1. Энергетические диаграммы
2.2 Принцип действия р-n-перехода
2.3. Биполярный транзистор
2.4. Полевой транзистор
2.4.1 Принцип действия полевого транзистора с управляющим р-n-переходом
2.4.2 Устройство и принцип действия полевого транзистора с МДП-структурой
2.5 Приборы с зарядовой связью
Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
3.1 Квантовые переходы и вероятности излучательных переходов
3.1.1 Энергетические уровни и квантовые переходы
3.1.2 Спонтанные переходы
3.1.3 Вынужденные переходы
3.1.4 Соотношения между коэффициентами Эйнштейна
3.1.5 Релаксационные переходы
3.2 Ширина спектральной линии
3.3 Использование вынужденных переходов для усиления электромагнитного поля
3.4 Механизм генерации излучения в полупроводниках
3.5 Прямозонные и непрямозонные полупроводники
3.6 Внешний квантовый выход и потери излучения
3.7 Излучатели на основе гетероструктур
3.8 Поглощение света в твердых телах
3.9 Излучательная и спектральная характеристики
3.10 Параметры оптического излучения
Глава 4. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
4.1 Источники некогерентного излучения
4.1.1 Основные характеристики и параметры светодиодов
4.1.2 Характеристики светодиодов
4.1.3 Определение и оценка параметров светодиодов
4.1.4 Схемы возбуждения, обеспечивающие высокую световую эффективность светодиодов
4.1.5 Влияние температуры
4.1.6 Срок службы
4.1.7 Ограничение тока
4.1.8 Достоинства твердотельных излучателей
4.1.9 Конструкции светодиодов
4.2 Приборы когерентного излучения
4.2.1 Физические основы усиления и генерации лазерного излучения
4.2.2 Структурная схема лазера
4.2.3 Лазеры на основе кристаллических диэлектриков
4.2.4 Жидкостные лазеры
4.2.5 Устройство и принцип действия полупроводникового инжекционного монолазера
4.2.6 Устройство и принцип действия полупроводникового лазера с гетероструктурой
4.3 Полупроводниковые фотоприемные приборы
4.3.1 Принцип работы фотоприемных приборов
4.4. Характеристики и параметры фотоприемников
4.4.1 Параметры фотоприемников
4.4.2 Характеристики фотоприемников
4.4.3 Фотодиоды на основе р-n-перехода
4.4.4 Фотодиоды с р-i-n-структурой
4.4.5 Фотодиоды Шоттки
4.4.6 Фотодиоды с гетероструктурой
4.4.7 Лавинные фотодиоды

Введение

Электроника – наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, используемых в основном для передачи, обработки и хранения информации.
До 1947 г. основным прибором электроники являлась электронная лампа – усилительный прибор, основанный на использовании процессов, связанных с движением электронов в вакууме. При всех своих несомненных и до сих пор непревзойденных достоинствах электронные лампы обладают одним существенным недостатком - большими размерами, хотя последние достижения в области вакуумной микроэлектроники, возможно, смогут этот недостаток устранить и начать новый виток развития вакуумной технологии. В 1947 г. Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Б. Шокли изобрели полупроводниковый усилительный прибор – транзистор и началась эра твердотельной электроники, вследствие чего стали развиваться микроэлектроника и наноэлектроника, добившиеся за короткое время впечатляющих результатов.
Успехи в развитии микроэлектроники привели к тому, что отличие параметров современной микроэлектронной продукции и продукции 1970-х гг. еще больше впечатляет. В 1958 г. Дж. Ф. Килби и Р. Н. Нойс впервые создали электронную схему на одном кристалле. Если размеры элементов первых микросхем составляли десятки микрон, то к 2004 г. ведущие фирмы США сумели добиться технологического стандарта размера элемента 0,1 мкм. Фундамент современной микроэлектроники составляет планарная технология. Несущей конструкцией всей микросхемы является подложка. На эту подложку в различных комбинациях и в требуемом количестве наносятся полупроводниковые, проводящие и изолирующие слои, в которых создаются требуемые конфигурации и топологические рисунки. Толщина этих слоев колеблется в зависимости от технологических требований от 0,05 до 1-2 мкм (для сравнения: человеческий волос имеет среднюю толщину 60 мкм).
Создание высокоточного прецизионного топологического рисунка в тонких, субмикронных (по толщине) слоях сейчас является наиболее сложной задачей микро- и нанотехнологии. Микротехнология имеет дело с элементами микросхем, размер которых превышает 1 мкм; субмикронная технология – 0,1 ... 1,0 мкм; нанотехнология – менее 0,1 мкм.
Считается, что нанотехнология позволит создавать практически любые изделия – от вычислительных машин сверхвысокой производительности до искусственных органов человека, причем, чем дальше ученые от практической деятельности в области нанотехнологии, тем смелее и масштабнее генерируемые ими прогнозы. Это касается и вторжения в сферу биологии, биофизики и биотехнологии, особенно в области конвергенции органических и неорганических соединений.
В настоящее время самым прецизионным и точным инструментом обработки и контроля микросхем является пучок заряженных частиц – электронов
или ионов. Законы, по которым подобные пучки взаимодействуют с твердым телом, лежат в основе той области нанотехнологии, которая связана с получением поверхностных и объемных конфигураций в процессе производства ИС и методами контроля и метрологии. Создание интегральных наноэлектронных квантовых схем является, по существу, конечной целью наноэлектроники. Мечтой технологов является реальная совокупность способов и приемов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности подложек, в том числе элементов из отдельных молекул и атомов, с возможностью одновременной их визуализации и контроля.
Традиционный метод, включающий в себя создание масок на поверхности полупроводниковой пластины с последующим применением микролитографии все более высокого разрешения, в том числе рентгено-, электронолитографии и ионной литографии, а также синхротронного излучения, приведет, по всей видимости, к созданию проводящих дорожек с нанометровыми поперечными размерами. Однако создание элементов на основе отдельных молекул и атомов традиционным путем невозможно, хотя совершенно необходимо.
Научное направление, связанное с ультрадисперсным состоянием вещества, называемым теперь наносостоянием, зародилось в СССР еще в самом на-
чале 1950-х г. на предприятиях оборонно-промышленного комплекса (ОПК), а с начала 1970-х гг. и во многих открытых организациях, что подтверждается соответствующими публикациями. Этот факт признают и зарубежные коллеги (что, впрочем, не мешает им избегать ссылок на приоритетные работы их российских коллег).
Курс физических основ современной микро- и нанотехники состоит из двух основных блоков. Первый блок физические основы микро- и нанотехнологии с точки зрения квантовой механики, в том числе основных представлений фрактальной физики и нелинейной динамики. Это теоретическая база для дальнейшего понимания материала. Второй блок – краткое описание элементной базы современной полупроводниковой техники.

Квантовые основы электроники : учебное пособие, CD, PDF
 

Орлов, В. Л. Квантовые основы электроники : учебное пособие / В. Л. Орлов, М. А. Гумиров, Л. Н. Агейкова, В. Ф. Задонцев. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2013. – 138 с.
ISBN 978-5-7568-0996-1

CD, PDF - 1,3 Mb