[ Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Уральский государственный педагогический университет»
Институт физики и технологии
Кафедра общетехнических дисциплин
РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине «Физическая электроника»
для направления «050200.62 – Физико-математическое образование»
по циклу ДПП.Ф.03 – Дисциплины предметной подготовки (федеральный компонент) Заочная форма обучения Курс – 3,4 Семестр – 5,6,7,8 Объем в часах всего – 240 в т.ч.: лекции – практические занятия - нет лабораторные занятия – самостоятельная работа – Зачет – 5,6 семестр Экзамен – Екатеринбург Рабочая учебная программа по дисциплине «Физическая электроника»
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный педагогический университет»
Екатеринбург, 2012. – 12 с.
Составитель: Кощеева Елена Сергеевна, к.п.н., доцент кафедры общетехнических дисциплин (подпись) Рабочая учебная программа обсуждена на заседании кафедры общетехнических дисциплин УрГПУ Протокол №1 от 29.08.2012 г.
Зав. кафедрой _ Г.В. Красноперов Директор Института физики и технологии П.В. Зуев
1. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программа учебной дисциплины «Физическая электроника» предназначена для реализации государственных требований к содержанию и уровню подготовки бакалавров педагогического университета института физики и технологии.Цели курса:
- обеспечить прочное и сознательное овладение физическими основами полупроводниковой микроэлектроники;
- раскрыть учащимся понятие об интегральных схемах;
- сформировать представление у учащихся о принципах построения микроэлектронных приборов и устройств;
- раскрыть обучаемым вклад ученых нашей страны в области микроэлектроники.
Основные задачи курса:
сформировать представление об оперативных и долговременных запоминающих устройствах;
сформировать представление о микропроцессорах, принципах их работы и функционирования;
сформировать умение планировать структуру действий, необходимых для достижения заданной цели, при помощи фиксированного набора средств;
сформировать представление о значении и месте нашей страны в системе развития микроэлектроники.
Исходной базой для усвоения материала являются знания, приобретенные студентами в ходе изучения дисциплин математического и естественнонаучного и профессионального циклов в предшествующий период обучения в вузе.
Межпредметные связи физической электроники с физикой, математикой, математическим моделированием и другими профессиональными дисциплинами обеспечивают формирование единой базы информационной подготовки бакалавров.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: принцип действия и функциональные возможности полупроводниковых приборов, составляющих элементную базу современной электроники, микроэлектроники и наноэлектроники, физические основы полупроводниковой микроэлектроники.
Уметь: проводить исследование электронных устройств и электронных цепей различного назначения; экспериментально исследовать параметры электронных и микроэлектронных приборов и устройств; обрабатывать результаты измерений с использованием средств вычислительной техники.
Владеть: навыками работы с электрорадиотехническими приборами, теорией и практикой проведения исследования; составлением обоснованных выводов, опираясь на экспериментальные данные исследования.
2. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ
2.1 Учебно-тематический план очной формы обучения Аудиторные занятия СамоВсего стояНаименование раздела, Прак- Лаботрудо- тельп/п темы Всего Лекции тиче- раторемкость ная ские ные работа 1 Основные физические представления, лежащие 12 4 4 в основе микро- и нанотехнологии 2 Основные понятия фрактальной геометрии и 10 4 2 2 фрактальной физики 3 Физические основы элементной базы полупроводниковой микроэлектроники 4 Физические основы получения тонких пленок 5 Физические основы литографических методов создания и переноса изображения 6 Понятие об интегральных схемах. ЧИПы 7 Принципы построения боров и устройств 8 Основы реализации оперативных и долговременных запоминающих 9 Микропроцессоры как принципы их работы и функционирования 2.2 Учебно-тематический план заочной формы обучения 1 Основные физические представления, лежащие в основе микро- и нанотехнологии тальной геометрии и фрактальной физики 3 Физические основы элементной базы полупроводниковой микроэлектроники 4 Физические основы получения тонких пленок 5 Физические основы литографических методов создания и переноса изображения 6 Понятие об интегральных схемах. ЧИПы 7 Принципы построения боров и устройств 8 Основы реализации оперативных и долговременных запоминающих устройств 9 Микропроцессоры как принципы их работы и функционирования3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1. Основные физические представления, лежащие в основе микро- и нанотехнологии Переход от микротехнологии к нанотехнологии. Основные положения квантовой механики. Электронные состояния в твердых телах. Кристаллическое и аморфное состояние вещества. Энергия связи в кристаллической решетке.Молекулярная и ионная связи. Ковалентная и металлическая связи. квазичастицы. Фуллерены и соединения на основе углерода. Проблемы атомных радиусов.
2. Основные понятия фрактальной геометрии и фрактальной физики Общие представления. Реальные фракталы. Фрактальный подход в микро- и нанотехнологии. Методы получения фрактальных структур в микро- и нанотехнологии. Концепция мультифрактала. Основные понятия нелинейной динамики.
3. Физические основы элементной базы полупроводниковой микроэлектроники Структура полупроводников. Носители заряда. Энергетические уровни и зоны. Распределение носителей в зонах проводимости. Электронно-дырочные переходы. Контакты полупроводник-металл. Граница полупроводникдиэлектрик. Полевые транзисторы. Принцип действия биполярного транзистора и тиристора. Распределение носителей. Коэффициент усиления тока.
Статические характеристики. Переходные и частотные характеристики.
4. Физические основы получения тонких пленок Термическое вакуумное напыление. Ионное (катодное) распыление. Ионноплазменное распыление. Эпитаксия из газовой фазы. Жидкостная эпитаксия.
Молукулярно-лучевая эпитаксия. Применение ионных пучков для выращивания тонких аморфных пленок. Золь-гель-технологии и их применение для выращивания тонких пленок.
5. Физические основы литографических методов создания и переноса изображения.
Общие понятия. Резисты и их характеристики. Фотолитография. Ренгеновская литография. Электронная литография. Низковольная электронная литография. Эффект близости. Процессы травления в микротехнологии.
6. Понятие об интегральных схемах. ЧИПы Классификация интегральных схем. Полупроводниковые интегральные схемы. Гибридные интегральные схемы. Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов.
7. Принципы построения микроэлектронных приборов и устройств Технологические основы микроэлектроники. Подготовительные операции.
Сборочные операции. Технология тонкопленочных гибридных интегральных схем. Технология толстопленочных гибридных интегральных схем. Изоляция элементов. Интегральные диоды. Полупроводниковые резисторы. Полупроводниковые конденсаторы. Элементы пленочных интегральных схем.
8. Основы реализации оперативных и долговременных запоминающих устройств Логические элементы на биполярных транзисторах. Логические функции.
Транзисторно-транзисторная логика. Параметры логических элементов. Интегральные триггеры. Запоминающие устройства. Надежность интегральных схем.
9. Микропроцессоры как микроэлектронная основа современных ЭВМ, принципы их работы и функционирования Структурная схема микропроцессора. Формат данных и команд. Способы адресации. Принцип работы микропроцессора: информация о состоянии микропроцессора, система команд микропроцессора, операции циклического сдвига, стек, запуск микропроцессора, состояние захвата, состояние прерывания, состояние останова.
Темы лабораторных занятий (42 часа):
1. Методы получения фрактальных изображений (2 часа) 2. Изучение основных характеристик полупроводниковых приборов (диод, тиристор, транзистор) (18 часов) 3. Базовые элементы И-НЕ и МОП транзисторно-транзисторной логики (2 часа).
4. Элементы комбинационной логики (4 часа).
5. Элементы последовательной логики (4 часа).
6. Микропроцессор. Режим вычитающего счетчика (2 часа).
7. Микропроцессор. Режим умножения (2 часа).
8. Микропроцессор. Режим деления чисел в формате меньше нуля (2 часа).
9. Аналого-цифровой преобразователь (4 часа).
10. Цифроаналоговый преобразователь (2 часа).
Вопросы для контроля и самоконтроля:
1. В чем состоят преимущества приборов, выполненных на ИС, по сравнению с приборами, выполненными на дискретных схемах.
2. Дайте классификацию ИС.
3. Как характеризуется функциональная сложность ИС.
4. Каким образом в ИС достигается высокая надежность.
5. Каковы особенности схемотехнических решений в микроэлектронике.
6. В чем заключаются недостатки планарной технологии.
7. Сформулируйте основное положение физики полупроводников в равновесной системе.
8. Что называют эффектом поля и какое практическое использование в микроэлектронике он имеет 9. Расскажите о различных типах рекомбинации заряда.
10. Что такое поверхностная рекомбинация и какой параметр вводится для ее определения.
11. Чем отличаются МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом.
12. В чем состоит причина нестабильности параметров МДПтранзистора.
13. Дайте определение напряжения отсечки полевого транзистора.
14. Сравните быстродействие МДП- и полевых транзисторов.
15. Сравните уровень шумов МДП- и полевых транзисторов.
16. Дайте определение коэффициенту переноса и коэффициенту инжекции.
17. Как влияет уровень легирования эмиттера на величину коэффициента инжекции.
18. Почему для изготовления большинства полупроводниковых приборов используются монокристаллические материалы.
19. Почему разрешающая способность литографии зависит от длины волны источника экспонирования.
20. Какие методы нанесения тонких пленок металлов и диэлектриков вам знакомы. В чем их принципиальные отличия.
21. Назовите наиболее распространенные материалы для изготовления проводников ИС.
22. Какие материалы используются для создания пленочных резисторов. Какие предельные параметры пленочных резисторов можно обеспечить. С какой точностью.
23. Опишите основные разновидности запоминающих устройств и элементарную базу, на основе которой они могут быть реализованы.
24. Какую структуру имеют оперативные запоминающие устройства с произвольной выборкой. Опишите реализацию запоминающих ячеек на различных типах логических элементах.
25. Как классифицируются микросхемы по степени интеграции. Что такое ИС на базовых матричных кристаллах и программируемые логические матрицы.
4. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА И ОРГАНИЗАЦИЯ
КОНТРОЛЬНО-ОЦЕНОЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Организация самостоятельной работы студентов очного отделения 1 Основные физические пред- Изучение реко- Конспект ставления, лежащие в основе мендованной ли- микро- и нанотехнологии тературы тальной геометрии и фрак- мендованной ли- 3 Физические основы элемент- Выполнение до- Отчет о выполнении ной базы полупроводниковой машнего задания, домашнего задания.4 Физические основы получе- Изучение реко- Конспект 5 Физические основы литогра- Изучение реко- Конспект фических методов создания и мендованной ли- переноса изображения тературы 7 Принципы построения мик- Изучение реко- Отчет о выполнении тивных и долговременных мендованной ли- запоминающих устройств тературы 9 Микропроцессоры как мик- Изучение реко- Отчет о выполнении Организация самостоятельной работы студентов заочного отделения ставления, лежащие в основе мендованной ли- микро- и нанотехнологии тературы тальной геометрии и фрак- мендованной ли- 3 Физические основы элемент- Выполнение до- Отчет о выполнении ной базы полупроводниковой машнего задания, домашнего задания.
5 Физические основы литогра- Изучение реко- Конспект фических методов создания и мендованной ли- 7 Принципы построения мик- Изучение реко- Беседа с преподаватероэлектронных приборов и мендованной ли- лем запоминающих устройств тературы 9 Микропроцессоры как мик- Изучение реко- Отчет о выполнении Вопросы для подготовки к зачету 1. В чем состоят преимущества приборов, выполненных на ИС, по сравнению с приборами, выполненными на дискретных схемах.
2. Дайте классификацию ИС.
3. Как характеризуется функциональная сложность ИС.
4. Каким образом в ИС достигается высокая надежность.
5. Каковы особенности схемотехнических решений в микроэлектронике.
6. В чем заключаются недостатки планарной технологии.
7. Сформулируйте основное положение физики полупроводников в равновесной системе.
8. Что называют эффектом поля и какое практическое использование в микроэлектронике он имеет 9. Расскажите о различных типах рекомбинации заряда.
10. Что такое поверхностная рекомбинация и какой параметр вводится для ее определения.
11. Чем отличаются МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом.
12. В чем состоит причина нестабильности параметров МДПтранзистора.
13. Дайте определение напряжения отсечки полевого транзистора.
14. Сравните быстродействие МДП- и полевых транзисторов.
15. Сравните уровень шумов МДП- и полевых транзисторов.
16. Дайте определение коэффициенту переноса и коэффициенту инжекции.
17. Как влияет уровень легирования эмиттера на величину коэффициента инжекции.
18. Почему для изготовления большинства полупроводниковых приборов используются монокристаллические материалы.
19. Почему разрешающая способность литографии зависит от длины волны источника экспонирования.
20. Какие методы нанесения тонких пленок металлов и диэлектриков вам знакомы. В чем их принципиальные отличия.
21. Назовите наиболее распространенные материалы для изготовления проводников ИС.
22. Какие материалы используются для создания пленочных резисторов. Какие предельные параметры пленочных резисторов можно обеспечить. С какой точностью.
23. Опишите основные разновидности запоминающих устройств и элементарную базу, на основе которой они могут быть реализованы.
24. Какую структуру имеют оперативные запоминающие устройства с произвольной выборкой. Опишите реализацию запоминающих ячеек на различных типах логических элементах.
25. Как классифицируются микросхемы по степени интеграции. Что такое ИС на базовых матричных кристаллах и программируемые логические матрицы.
5. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
ДИСЦИПЛИНЫ
Студент, изучивший дисциплину, должен знать:организацию и функционирование вычислительных устройств, машин и систем;
основные аспекты микроэлектроники: физические, технологические и схемотехнические;
виды интегральных схем и схемотехнику цифровых и аналоговых интегральных схем;
новые фундаментальные достижения в области микроэлектроники, используемые в настоящее время.
Студент, изучивший дисциплину, должен уметь:
ориентироваться в проблемах и перспективах современной микроэлекторники;
формулировать обоснованные выводы по работе вычислительных устройств.
6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники [Текст] / И. П. Степаненко. - М. : Лаб. базовых знаний, 2004. - 488 с. (Кол-во экз. : 1) 2. Коваленко А.А., Петропавловский М.Д.Основы микроэлектроники [Текст] : учеб. пособие для студентов вузов по направлению 050200 Физикомат. образование / А. А. Коваленко, М. Д. Петропавловский. - М. : Академия, 2006. - 240 с. (Кол-во экз. : 15) 1. Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и микросхемотехника:- М.: высшая школа, 2002. – 410 с.
2. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учебное пособие для вузов. – М.: радио и связь, 2002. – 280 с.
3. Марголин В.И. Физические основы микроэлектроники: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.И. Марголин, В.А. Жабреев, В.А. Тупик.
– М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 400 с.
4. Пул Ч. Нанотехнологии / Ч. Пул, Ф. оуэнс. – М.: Техносфера, 2004. – 290 с.
5. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. М.: Высшая школа, 2005. – 308 с.
6. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. Пособие для вузов/ И.П. Степаненко. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.
7. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И.П. Суздалев. – М.: КомКнига, 2006. – 8. Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы / М. Шредер. – Ижевск : НИЦ «регулярная и хаотичная динамика», 2005. – 210 с.
9. Ямпольский В. С. Основы автоматики и электронновычислительной техники: M. : Просвещение, 1991. – 290 с.
6.2 Информационное обеспечение дисциплины 1. Википедия. [Электронный ресурс]: Свободная энциклопедия.
ru.wikipedia.org.
2. Физическая электроника [Электронный ресурс]: Мир книг / http://www.mirknig.com/knigi/apparatura/1181264001-fizicheskayayelektronika.html.
3. Физическая электроника [Электронный ресурс]: Конспекты лекций, учебные пособия / http://www.twirpx.com/files/equipment/foe 4. Интернет университет информационных технологий [Электронный ресурс]: Физическая электроника, http://www.intuit.ru
7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ И ДИДАКТИЧЕСКОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
При изучении дисциплины «Физическая электроника» рекомендуется использовать:- мультимедийный проектор, - компьютерную технику, - пакеты схемотехнического моделирования.
8. СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ ПРОГРАММЫ
Кощеева Елена Сергеевна кандидат педагогических наук доцент кафедры общетехнических дисциплин физического факультета УрГПУ рабочий телефон: 371-70-РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине «Физическая электроника»для направления «050200.62 – Физико-математическое образование»
по циклу ДПП.Ф.03 – Дисциплины предметной подготовки Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л..
Уральский государственный педагогический университет.
620017 Екатеринбург, пр. Космонавтов, 26.
«