Профессиональная подготовка требует на только усвоения студентами теоретических основ научных дисциплин, но и овладения практическими навыками проведения различных физических и физико-химических процессов, лежащих в основе современных технологий. Однако постановка лабораторных работ и оснащение лабораторного практикума современным оборудованием требует не только больших материальных затрат, но и достаточных человеческих ресурсов. Поэтому замена физического эксперимента математическим во многих случаях вполне оправдана и является реальной альтернативой традиционным методам обучения в высшей школе. Она позволяет с минимальными материальными и временными затратами существенно ускорить сроки усвоения нового материала.

Ни одна математическая модель не способна полностью и всесторонне отразить оригинал. Тем не менее, при разработке обучающих программ для моделировании технологических процессов чаще всего достаточно описать протекание основного процесса, например, процесса кристаллизации или диффузии. На основе физических и теоретических представление о процессе строится количественное описание объекта, которое представляет собой совокупность математических структур: уравнений, неравенств, таблиц, графиков и т.д. Это позволяет провести расчет оптимальных параметров процесса при заданных начальных и граничных условиях. Если подобную математическую модель дополнить базой данных, содержащей термодинамические, физические, физико-химические и механические характеристики различных материальных систем, то можно выполнить математическое моделирование процесса и компьютерный расчет оптимальных параметров для конкретной системы. Например, изучить процесс выращивания кристаллов кремния из расплава или процесс диффузии примесей цинка и фосфора в выращенный кристалл кремния.

Именно такие расчетно-информационные комплексы (ИРК), предназначенные для решения модельных задач, используются на кафедре Технологии полупроводниковых материалов при подготовке по профилируюшему курсу "Теоретическое основы технологии полупроводниковых материалов", читаемому студентам 1V курса (7 семестр) (бакалавриат по направлению 551600 "Материаловедение и и технология новых материалов"). Практические работы с использованием элементов математического моделирования проводятся по основным разделам учебного курса: фазовые равновесия в полупроводниковых системах (равновесия жидкость твердое); фазовые и структурные превращения при кристаллизации полупроводников; фазовые и структурные превращения при термическом отжиге и пластической деформации полупроводниковых кристаллов; диффузия и диффузионные процессы в полупроводниках.

Расчетно-информационные комплексы, реализованные в среде Windows с использованием системы объектно ориентированного программирования Object Windows, включают в себя базы данных по основыным термодинамическим и физическим параметрам полупроводниковых материалов и характеристикам процессов, протекающих в полупроводниковых системах, и блоки прикладных задач. Структура входных и выходных форм диалогового интерфейса позволяет студенту на основе предлагаемого меню осуществлять выбор решаемых задач. Разработанные программные средства, выполненные на основе многодокументального программного интерфейса (MDI) в виде диалоговых и графических окон, которые могут накапливаться на экране при различных значениях параметров, удобны для проигрывания модельных ситуаций и быстрого просмотра информационных материалов, необходимых для решения прикладных задач.

Например, ИРК для изучения процессов диффузии в полупроводниковых кристаллах, разработанный кафедрой Технологии полупроводниковых материалов совместно с кафедрой Информационных технологий, содержит: математическую модель процесса диффузии, в основе которой лежат дифференциальные уравнения, описывающие процесс диффузионного переноса вещества в твердом теле. Эти уравнения решаются при начальных и граничных условиях, определяемых характером процесса ( диффузия из неограниченного источника диффузанта, диффузия из конечного источника, одностадийный процесс, двухстадийный процесс и т.д.), с помощью пакетов Mathcad и Excel. В среде Mathcad могут быть построены профили и поверхности распределения концентрации диффундирующего вещества с течением времени на различном удалении от поверхности кристалла.

База данных ИРК содержит коэффициенты диффузии технологически важных примесей в элементарных полупроводниках ( Si, Ge ) и полупроводниковых соединениях (GaAs, GaSb, InAs, CdTe и т.д.), значения предэкспоненциальных множителей и энергии активации диффузии при различных механизмах и ряд других характеристик.

Это обуславливает многовариантность задач, решаемых с помощью ИРК. Например, прямая задача: расчет концентрационного профиля диффузанта в кристалле при заданных температуре и времени диффузионного отжига. Обратная задача: расчет оптимальных параметров отжига при заданном профиле распределения диффузанта в кристалле или выбранной глубине залегания фронта диффузии. Расширение базы данных путем введения результатов физических экспериментов по исследованию процессов диффузии в полупроводниковых материалах, позволяет рассчитывать температурную зависимость коэффициентов диффузии и определить основные параметры диффузии (предэкспоненциальный множитель, энергию активации) для конкретных систем примесь полупроводник. Учитывая прецизионность процессов полупроводниковой технологии, результаты математического моделирования в большинстве случаев адекватно описывают реальный технологический процесс диффузионного отжига.

Таким образом применение расчетно-информационных комплексов в процессе профессиональной подготовки позволяет не только добиться качественного и быстрого усвоения учебной дисциплины, но и преследует практическую цель - научить студентов правилам расчета параметров основных технологических процессов. Информационно-pасчетные комплексы полностью готовы к применению в системе ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ.

Сервер поддерживается фирмой НПП "БИТ про" Лучшие программы для образовательного процесса