МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
Факультет неорганической химии и технологии
Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
Утверждаю: проректор по УР
_______________ В.В. Рыбкин
« » 200 г.
Рабочая учебная программа дисциплины
Физические основы электроники
Направление подготовки 210100 Электроника и наноэлектроника
Профиль подготовки Микроэлектроника и твердотельная электроника
Квалификация (степень) Бакалавр
Форма обучения очная
Иваново, 2010
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины являются изучение физики электронных процессов в вакууме, газах, твердых телах, на границах раздела сред и принципов построения и работы электронных приборов различного назначения. Это одна из основных теоретических дисциплин профиля, ибо без знания физики работы приборов невозможны сознательные и эффективные подходы к разработке и организации технологических процессов.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина относится к базовым дисциплинам профиля, базируется на результатах изучения дисциплин естественно-научного цикла, в том числе математики, физики, химических дисциплин, информатики, а так же дисциплин профиля: «Физика конденсированного состояния», «Материалы электронной техники». Для успешного усвоения дисциплины студент должен
знать:
основные понятия и методы математического анализа, линейной алгебры, теории дифференциальных уравнений и элементов теории уравнений математической физики, теории функций комплексной переменной, теории вероятностей и математической статистики, дискретной математики, математических методов решения профессиональных задач;
технические и программные средства реализации информационных технологий, основы работы в локальных и глобальных сетях, типовые численные методы решения математических задач и алгоритмы их реализации, один из языков программирования высокого уровня;
фундаментальные законы природы и основные физические законы в области механики, термодинамики, электричества и магнетизма, оптики и атомной физики, основы квантовой механики, квантовую статистику электронов металлах и полупроводниках, строение ядра, классификацию элементарных частиц;
электронное строение атомов и молекул, основы теории химической связи в соединениях разных типов, строение вещества в конденсированном состоянии, основные закономерности протекания химических процессов и характеристики равновесного состояния, химические свойства элементов различных групп Периодической системы и их важнейших соединений;
уметь:
проводить анализ функций, решать основные задачи теории вероятности и математической статистики, решать уравнения и системы дифференциальных уравнений применительно к реальным процессам, применять математические методы при решении типовых профессиональных задач;
работать в качестве пользователя персонального компьютера, использовать численные методы для решения математических задач, использовать языки и системы программирования для решения профессиональных задач, работать с программными средствами общего назначения;
решать типовые задачи связанные с основными разделами физики, использовать физические законы при анализе и решении проблем профессиональной деятельности;
использовать основные химические законы, термодинамические справочные данные и количественные соотношения неорганической химии для решения профессиональных задач;
владеть:
методами построения математической модели типовых профессиональных задач и содержательной интерпретации полученных результатов;
методами поиска и обмена информацией в глобальных и локальных компьютерных сетях;
методами проведения физических измерений, методами корректной оценки погрешностей при проведении физического эксперимента
теоретическими методами описания свойств простых и сложных веществ на основе электронного строения их атомов и положения в Периодической системе химических элементов.
Освоение данной дисциплины как предшествующей необходимо при изучении следующих дисциплин:
вакуумно-плазменные процессы и технологии;
процессы микро и нанотехнологий;
корпускулярно-фотонные процессы и технологии;
нанотехнологии в электронике;
схемотехника;
основы проектирования электронной компонентной базы
технология и оборудование производства изделий твердотельной электроники и наноэлектроники.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
способность выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2);
готовность учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);
способность владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);
способность строить простейшие физические и математические модели приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения, а также использовать стандартные программные средства их компьютерного моделирования (ПК-19);
способность аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения (ПК-20);
способность использовать знание свойств химических элементов, соединений и материалов на их основе для решения задач профессиональной деятельности (ПК-33);
способность использовать знания основных физических теорий для решения возникающих физических задач, самостоятельного приобретения физических знаний, для понимания принципов работы приборов и устройств, в том числе выходящих за пределы компетентности конкретного направления (ПК-34);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
физические основы вакуумной и плазменной электроники: законы эмиссии, принципы использования физических эффектов в твердом теле в электронных приборах и устройствах твердотельной электроники;
конструкции, параметры, характеристики и области применения приборов и устройств твердотельной и микроэлектроники;
основные физические процессы, лежащие в основе действия приборов квантовой и оптической электроники, а также особенности оптических методов передачи и обработки информации;
уметь:
применять полученные знания при теоретическом анализе, компьютерном моделировании и экспериментальном исследовании физических процессов, лежащих в основе принципов работы приборов и устройств вакуумной и плазменной электроники;
применять методы расчета параметров и характеристик, моделирования и проектирования электронных приборов и устройств твердотельной электроники и микроэлектроники;
применять полученные знания для объяснения принципов работы приборов и устройств оптической и квантовой электроники, а также оптических методов передачи и обработки информации, осуществлять оптимальный выбор прибора для конкретного применения;
владеть:
информацией об областях применения и перспективах развития приборов и устройств вакуумной, плазменной, твердотельной, квантовой и оптической электроники;
методами экспериментальных исследований параметров и характеристик электронных приборов и устройств.
4. Структура дисциплины Физические основы электроники
Общая трудоемкость дисциплины составляет 12 зачетных единиц, 432 часа.
Вид учебной работы
|
Всего часов
|
Семестры
|
5
|
6
|
7
|
8
|
Аудиторные занятия (всего)
|
192
|
102
|
90
|
|
|
В том числе:
|
|
|
|
|
|
Лекции
|
96
|
51
|
45
|
|
|
Практические занятия (ПЗ)
|
32
|
17
|
15
|
|
|
Семинары (С)
|
-
|
-
|
|
|
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
64
|
34
|
30
|
|
|
Самостоятельная работа (всего)
|
240
|
114
|
126
|
|
|
В том числе:
|
|
|
|
|
|
Курсовой проект (работа)
|
-
|
-
|
|
|
|
Расчетно-графические работы
|
50
|
21
|
24
|
|
|
Реферат
|
30
|
15
|
20
|
|
|
Оформление отчетов по лабораторным работам
|
64
|
30
|
34
|
|
|
подготовка к текущим занятиям, коллоквиумам
|
54
|
27
|
27
|
|
|
Подготовка к экзамену
|
42
|
21
|
21
|
|
|
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
|
|
з,э
|
з,э
|
|
|
Общая трудоемкость час
зач. ед.
|
432
|
216
|
216
|
|
|
12
|
6
|
6
|
|
|
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
Модуль 1. Твердотельная электроника.
Основные параметры и свойства полупроводников. Электропроводность полупроводников и явления переноса зарядов.
Электрические переходы, типы и классификация. Структура и основные параметры n p перехода. Равновесное и неравновесное состояние n-p перехода. Вывод формулы вольт-амперной характеристики n-p перехода. Ширина и емкость п-р перехода. Пробой п р перехода. Переходы на основе контакта металл-полупроводник.
Полупроводниковые диоды – устройство, классификация, применение. Особенности работы приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением: туннельных диодов, диодов Ганна, лавинопролетных диодов.
Физические основы работы биполярного транзистора. Характеристики и параметры биполярных транзисторов. Модель Эберса–Молла. Типы биполярных транзисторов и их применение. Многослойные структуры. Особенности работы управляемых и неуправляемых тиристоров.
Физические основы работы полевых приборов. Структура металл-диэлектрик-полупроводник. Явления обеднения, обогащения и инверсии полупроводников. Понятие поверхностного потенциала. Типы полевых транзисторов и особенности их применения. Параметры и характеристики полевых транзисторов.
Полупроводниковые приборы специального назначения: датчики температуры, деформации и магнитного поля. Структура и физические основы работы.
Модуль 2. Микроэлектроника и функциональная электроника.
Основные принципы и понятия микроэлектроники. Элементы и компоненты микросхем. Классификация микросхем по функциональным и конструкторско-технологическим признакам.
Активные элементы интегральных микросхем. Особенности структуры биполярных транзисторов полупроводниковых микросхем. Диодные структуры в микроэлектронике. Транзисторные структуры специального назначения: многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, транзисторы с диодом Шотки. Конструктивные особенности МДП транзисторов интегральных микросхем. Структура и принцип действия транзисторных элементов памяти постоянных запоминающих устройств. Приборы с зарядовой связью.
Пассивные элементы интегральных микросхем. Полупроводниковые и пленочные резисторы. Конденсаторы и индуктивные элементы. Микрополосковые линии и элементы на их основе.
Современные тенденции в развитии микроэлектроники. Закон Мура. Понятие и законы масштабирования элементов микросхем. Физические ограничения в микроэлектронике. Основные проблемы миниатюризации и особенности структуры современных субмикронных МДП транзисторов. Перспективы дальнейшего уменьшения размеров элементов интегральных микросхем. Влияние межэлементных соединений на работу микросхем. Понятие задержки импульса.
Конструктивно-технологические особенности элементной базы для ИМС диапазона СВЧ. Транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник. Функциональные возможности МДП и МЕП транзисторов в интегральных микросхемах.
Гетероструктуры в современной микроэлектронике. Основные параметры и отличительные особенности гетеропереходов. Явления сверхинжекции и образования двумерного электронного газа в гетеропереходе.
Гетеропереходные биполярные транзисторы и транзисторы с высокой подвижностью электронов: физические принципы работы и варианты конструкции. HEMT-структуры.
Понятие и основные направления функциональной микроэлектроники. Обзор физических явлений и процессов функциональной микроэлектроники.
Пьезо- и акустоэлектроника. Принципы взаимного преобразования акустических и электрических сигналов. Пьезоэлектрические преобразователи. Приборы на поверхностных акустических и магнитостатических волнах (ПАВ и МСВ). Конструирование многофункциональных устройств на ПАВ, МСВ.
Магнитоэлектроника. Магнитоэлектронные запоминающие устройства и носители информации. Магнитные полупроводники и устройства на их основе.
Криоэлектроника. Особенности физических процессов в полупроводниках при низких температурах. Приборы на эффекте Джозефсона. Логические элементы на сверхпроводниках.
Молекулярная электроника и биоэлектроника. Электронные процессы в сложных органических молекулах. Микромеханические системы. |
