РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине

«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ»

(ПЦ. Б.3.В.09)

для направления подготовки бакалавров

210200.62 – «Проектирование и технология

радиоэлектронных средств»

2

1. Цели и задачи дисциплины

Цель изучения дисциплины «Физические основы микроэлектроники» - формирование у

студента представление о физических процессах, протекающих в твердотельных электронных устройствах для описания принципов их работы и применения в конкретных устройствах.

Основные задачи дисциплины:

1) изучение основ физических явлений и процессов, лежащих в основе принципов работы приборов и устройств электроники;

2) изучение физических процессов и законов, лежащих в основе принципов действия полупроводниковых приборов, и определяющих характеристики и параметры этих приборов.

3) формирование навыков экспериментальных исследований и техники измерений характеристик и параметров полупроводниковых приборов;

4) понимание принципов действия и знание областей применения оптоэлектронных приборов.

2. Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина «Физические основы микроэлектроники» входит в базовую часть «Профессионального цикла» подготовки бакалавров.

Студент, начинающий изучение дисциплины «Физические основы микроэлектроники», должен знать дисциплины «Физика» и «Математика» в пределах программы ООП по направлению подготовки бакалавриата 210100.62 –«Проектирование и технология радиоэлектронных средств».

Дисциплины, изучаемые одновременно: «Математические основы надежности электронных схем», «Теоретические основы электротехники», «Электромеханические преобразователи».

Последующие дисциплины: «Схемотехника», «Основы проектирования электронной компонентной базы», «Основы технологии электронной компонентной базы», «Электронные цепи и микросхемотехника», «Микропроцессорная техника».

3. Требования к результатам освоения дисциплины 3.1. В результате освоения дисциплины «Физические основы микроэлектроники» должны быть сформированы следующие компетенции:

- готовностью учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);

- способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);

- способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);

- способностью осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения (ПК -9);

- готовностью выполнять расчет и проектирование электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования (ПК -10);

- способностью собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области электроники и наноэлектроники (ПК-18);

- способностью 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);

- способностью аргументированно 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);

- готовностью анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций (ПК-21);

- готовностью к участию в монтаже, испытаниях и сдаче в эксплуатацию опытных образцов материалов и изделий электронной техники (ПК-28);

3.2. В результате освоения дисциплины студент должен демонстрировать освоение указанными компетенциями по дескрипторам «знания, умения, владения», соответствующие тематическим модулям дисциплины, и применимые в их последующем обучении и профессиональной деятельности:

- Знать:

З.1. Эквивалентные схемы активных элементов;

З.2. Основные постулаты и положения квантовой теории;

З.3. Туннельный эффект;

З.4. Строение атома и связь с периодической таблицей элементов Менделеева;

З.5. Классификацию твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории;

З.6. Основные электрические, магнитные и оптические свойства твердых тел, механизмы протекания тока;

З.7. Основы физики твердого тела;

3.8. Принципы использования физических эффектов в твердом теле в электронных приборах и устройствах твердотельной электроники;

3.9. Конструкции, параметры, характеристики устройств твердотельной электроники;

- Уметь:

У1. Применять методы расчета параметров и характеристик, моделирования и проектирования электронных приборов и устройств твердотельной электроники;

У.2. Осуществлять оптимальный выбор прибора для конкретного применения;

У.3. Применять полученные знания для объяснения принципов работы приборов и устройств оптической электроники;

- Владеть:

В.1. Методами экспериментальных исследований параметров и характеристик электронных приборов и устройств твердотельной электроники, В.2. Современными программными средствами моделирования и проектирования электронных приборов и устройств твердотельной электроники.

3.3. Проектируемые результаты и признаки формирования компетенций.

Индекс дисциплины «Х» и индикаторы компетенции формирования компетенций 4. Объем дисциплины и виды учебной работы в часах и зачетных единицах Очная форма обучения Всего аудиторных занятий:

Самостоятельная работа:

Самостоятельное изучение материала дисциплины и подготовка к зачетам Курсовая работа (проект) Расчетно-графическая работа Домашнее задание Всего по дисциплине дифференцированный зачет, экзамен) экз 5. Содержание дисциплины по модулям и видам учебных занятий 5.1. Содержание дисциплины по модулям 2. Структура и свойства твердых тел, явления переноса.

3. Контактные явления в полупроводниках, диоды.

5. Фотоэлектрические явления в полупроводниках.

6. Оптические явления в полупроводниках.

7. Термоэлектрические явления и гальваномагнитный эффект.

8. Роль физических основ электроники в развитии полупроводниковых приборов.

Исторический обзор развития твердотельной электроники. Роль твердотельной Л электроники в современной технике. Предмет, цели и содержание курса.

2 Модуль 2. Структура и свойства твердых тел, явления переноса Кристаллическое и аморфное состояние твердого тела, ближний и дальний Л, С порядок. Структура кристаллов. Решетки Браве и элементарные ячейки кристаллов. Параметры элементарной ячейки, обозначение узлов, направлений и плоскостей в кристаллах. Дефекты реальных кристаллов.

Тепловые колебания атомов кристаллической решетки, понятие нормальных Л, С колебаний (мод). Фононы. Решеточные свойства кристаллов. Основы зонной теории твердых тел. Зонные структуры металлов, полупроводников, диэлектриков.

Собственные и примесные полупроводники. Основные и неосновные носители Л, С заряда в полупроводниках. Эффективная масса носителей заряда. Понятие дырок.

Зависимость концентрации носителей заряда и уровня Ферми от температуры в собственных и примесных полупроводниках. Явления на поверхности полупроводников и в тонких пленках.

Перенос и рассеяние зарядов в однородных полупроводниках: примесное, Л, С фононное, на дефектах, электрон-электронное. Подвижность носителей заряда.

Электропроводность полупроводников и ее зависимость от температуры. Л, С Процессы переноса в неоднородных полупроводниках: диффузия и дрейф носителей заряда. Диффузионная длина, соотношение Эйнштейна.

3 Модуль 3. Контактные явления в полупроводниках, диоды Работа выхода. Контактная разность потенциалов. Контакт металл- Л, С полупроводник; барьер Шоттки, омический контакт.

Диод Шоттки и его свойства. Структура металл-диэлектрик-полупроводник Л, С (МДП-структура), плотность поверхностных состояний.

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) в равновесном состоянии, ширина и Л, С емкость области пространственного заряда. Инжекция и экстракция носителей заряда в p-n-переходе. Идеальный диод.

Вольт-амперная характеристика реального диода. Частотные свойства Л, С полупроводникового диода, эквивалентная схема. Переходные процессы в диодах с p-n-переходом. Тепловой и электрический пробой p-n-перехода.

Гетеропереход, его особенности. Диоды различных типов и их функциональные Л, С возможности: выпрямительные диоды, стабилитроны, импульсные диоды, детекторы СВЧ-диапазона, параметрические диоды, варисторы, варакторы.

Туннельный диод, его вольт-амперная характеристика и частотные свойства, Л, С области применения. Лавиннопролетный диод, механизм усиления переменного сигнала, параметры и характеристики.

Биполярный транзистор, его структура, режим работы, схемы включения. Л, С Принцип действия транзистора в качестве усилителя. Зонные диаграммы транзистора с общей базой в активном режиме в равновесном и неравновесном состоянии.

Полевые транзисторы и их типы. Полевой транзистор с p-n-переходом, принцип Л, С действия и статические характеристики полевого транзистора с изолированным и с индуцированным затвором, его эквивалентная схема и частотные свойства.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов.

5 Модуль 5. Фотоэлектрические явления в полупроводниках Фотодетекторы: фоторезисторы, фотодиод на p-n-переходе и гетеропереходе, Л, С режим работы, параметры и характеристики. Солнечные батареи. P-i-n диоды и лавинные фотодиоды.

6 Модуль 6. Оптические явления в полупроводниках Светодиоды и полупроводниковые лазеры на основе p-n-перехода и Л, С гетероперехода, режим работы, параметры и характеристики.

7 Модуль 7. Термоэлектрические явления и гальваномагнитный эффект Гальваномагнитный эффект Холла, термоэлектрические эффекты Пельтье и Л, С Зеебека, вторичная электронная эмиссия и др.

8 Модуль 8. Роль физических основ электроники в развитии Роль физических основ электроники в развитии полупроводниковых приборов, Л микроэлектроники, электровакуумных и газоразрядных приборов, электроннолучевых и индикаторных приборов.

5.2. Содержание практических и лабораторных занятий 5.2.1. Содержание лабораторных работ Цель лабораторного практикума – изучение методов экспериментального исследования, приобретение опыта в проведении лабораторных экспериментов, приобретение опыта математической обработки и интерпретации полученных результатов.

Лабораторный практикум выполняется по индивидуальному графику бригадами, состоящими из 2-3 студентов. За период обучения студент выполняет 6 лабораторных работ.

Модуль 2. Структура и свойства твердых тел, явления переноса Лабораторный практикум «Исследование реальной структуры кристаллов + металлографическим методом»

2 Модуль 3. Контактные явления в полупроводниках, диоды Лабораторный практикум «Определение контактной разности потенциалов между + металлом и полупроводником»

Лабораторный практикум «Определение ширины запрещенной зоны полупроводника» + Лабораторный практикум «Изучение полупроводниковых диодов» + 4 Модуль 7. Термоэлектрические явления и гальваномагнитный эффект Лабораторный практикум «Изучение полупроводников с помощью эффекта Холла» + 6. Образовательные технологии.

6.1. Для достижения планируемых результатов освоения дисциплины «Физические основы электроники» используются следующие образовательные технологии:

6.1.1. Информационно-развивающие технологии.

6.1.2. Развивающие проблемно-ориентированные технологии.

6.1.3. Личностно ориентированные технологии обучения.

6.2. Интерактивные формы обучения (в соответствии с положением П ОмГТУ 75.03-2012.

«Об использовании в образовательном процессе активных и интерактивных форм проведения учебных занятий») № Семестр, Применяемые технологии интерактивного обучения Кол-во 7. Самостоятельная работа студентов (указываются все виды работ в соответствии с учебным планом) Самостоятельная работа направлена на закрепление и углубление полученных теоретических и практических знаний, развитие навыков практической работы.

7.1. Объем СРС и распределение по видам учебных работ в часах 1. Работа с лекционным материалом, самостоятельное изучение отдельных тем дисциплины; поиск и обзор литературы и электронных источников; чтение и изучение учебника и учебных пособий.

3. Подготовка к лабораторным занятиям, оформление отчетов к лабораторным работам 7.2. Темы домашних заданий по модулям:

1. Кремниевые диоды (Модуль 3).

2. Германиевые диоды (Модуль 3).

3. Диоды Шоттки (Модуль 3).

4. СМД диоды (Модуль 3).

5. Биполярные транзисторы (Модуль 4).

6. Полевые транзисторы (Модуль 4).

7. Тиристоры (Модуль 3).

8. Семисторы (Модуль 3).

9. Варисторы (Модуль 3).

10. Варикапы (Модуль 3).

11. Фотодиоды (Модуль 3).

12. Фоторезисторы (Модуль 5).

13. Фототранзисторы (Модуль 5).

14. Светодиоды(Модуль 6).

15. Лазерные диоды (Модуль 6).

8. Методическое обеспечение системы оценки качества освоения программы дисциплины К промежуточной аттестации студентов по дисциплине «Магнитные элементы электронных устройств» могут привлекаться в качестве внешних экспертов: представители других выпускающих кафедр.

8.1. Фонды оценочных средств (в соответствии с П ОмГТУ 73.05 «О фонде оценочных средств по дисциплине») Фонд оценочных средств позволяет оценить знания, умения и уровень приобретенных компетенций.

Фонд оценочных средств по дисциплине «Физические основы электроники» включает:

- экзаменационные билеты;

- экзаменационные вопросы;

- варианты домашней работы;

- вопросы для допуска к выполнению лабораторных работ;

- вопросы к итоговому заданию по лабораторному практикуму;

- тестовый комплекс;

- задания для проведения занятий в интерактивной форме.

Оценка качества освоения программы дисциплины «Физические основы электроники»

включает текущий контроль успеваемости, итоговую аттестацию.

Студентам предоставлена возможность оценивания содержания, организации и качества учебного процесса.

8.2. Контрольные вопросы по дисциплине Модуль 2.

1. Строение атома. Модель Бора.

2. Орбитали. Расчет количества электронов на оболочке.

3. Металл, диэлектрик, полупроводник: зонная структура, энергетические диаграммы.

4. Собственный полупроводник. Собственная проводимость.

5. Концентрация носителей заряда, ее температурная зависимость, уровень Ферми в собственном полупроводнике.

6. Примеси в полупроводниках, эффекты легирования. Примесная проводимость, уровень Ферми в примесных полупроводниках.

7. Температурная зависимость изменения концентрации основных носителей заряда в примесных полупроводниках.

8. Рекомбинация электронов и дырок. Токи в полупроводниках. Уравнение непрерыности.

9. Равновесные и неравновесные носители заряда.

10. Ток термоэлектронной эмиссии. Термодинамическая работа выхода в полупроводниках p - и n 11. Эффект поля, зонная диаграмма при эффекте поля.

12. Концентрация электронов и дырок в области пространственного заряда. Дебаевская длинна экранирования.

13. Условные обозначения и классификация отечественных полупроводниковых приборов.

Условные обозначения и классификация зарубежных полупроводниковых приборов.

Модуль 3.

14. Контакт металл – полупроводник, образование барьера Шоттки. Зонная диаграмма барьера Шоттки при внешнем смещении, принцип работы. Вольт-амперная характеристика, распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки.

15. Образование электронно-дырочного перехода, зонная диаграмма. Распределение свободных носителей в равновесном и неравновесном p-n переходах. Вольт-амперная характеристика, распределение электрического поля и потенциала в p-n переходе.

16. Зонная диаграмма p-n перехода при внешнем смещении, принцип работы, компоненты тока.

Емкость p-n перехода.

17. Образование гетеропереходов, зонные диаграммы при различных комбинациях ширины запрещенной зоны и электронного сродства.

18. Зонная диаграмма гетероперехода при внешнем смещении, принцип работы, компоненты тока. Вольт-амперная характеристика и распределение электрического поля и потенциала в гетеропереходе.

19. Эквивалентная схема и характеристики диода на основе p-n перехода.

20. Влияние генерации неравновесных носителей заряда в ОПЗ p-n перехода на обратный ток диода. Влияние рекомбинации неравновесных носителей заряда в ОПЗ p-n перехода на прямой ток диода. Влияние объемного сопротивления базы диода на прямые характеристики.

21. Варикап: параметры, принцип работы, эквивалентные схемы.

22. Стабилитрон: вольт-амперная характеристика, Uстаб., Rдиф.

23. Туннельный пробой, зонные диаграммы, принцип работы. Лавинный пробой, зонные диаграммы, принцип работы.

24. Вырожденные полупроводники, зонные диаграммы, уровень Ферми. Обращенный диод, вольт-амперная характеристика, принцип работы.

25. Туннельный диод: вольт-амперная характеристика, зонная диаграмма при внешнем смещении, принцип работы, компоненты тока.

Модуль 4.

26. Основные режимы работы биполярного транзистора, физические процессы в различных областях биполярного транзистора.

27. Биполярный транзистор в схеме с общей базой, зонная диаграмма, принцип работы, компоненты тока.

28. Формулы Молла-Эберса, эквивалентная схема биполярных транзисторов в различных режимах работы. Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора, эффект Эрли.

29. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в схеме с общей базой.

30. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером, принцип работы, компоненты тока.

31. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общей базой, характеристики.

32. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером, характеристики.

33. Схема Дарлингтона, принцип работы, параметры. Дрейфовые транзисторы.

34. Параметры транзистора как четырехполюсника.

35. Возможные состояния области пространственного заряда контакта металл-полупроводник в зависимости от знака и величины приложенного напряжения.

36. Принцип работы МДП транзистора, топология.

37. Характеристики МОП ПТ в области плавного канала. Характеристики МОП ПТ в области отсечки. Малосигнальные параметры МДП транзистора.

38. Эквивалентная схема и быстродействие МДП транзистора. Вольт-амперная характеристика МДП транзистора в области сильной и слабой инверсии.

39. Принцип работы МНОП транзистора, топология.

40. Принцип работы МОП ПТ с плавающим затвором, топология.

41. Принцип работы полевого транзистора с затвором в виде p-n перехода.

42. Принцип работы, зонная диаграмма и вольтамперная характеристика динистора.

43. Принцип работы, зонная диаграмма и вольтамперная характеристика тринистора.

44. Принцип работы, ВАХ диода Ганна.

45. Принцип работы, ВАХ лавинно пролетного диода.

Модуль 5.

46. Фоторезисторы, принцип работы, зонные диаграммы, параметры.

47. Фотодиоды на основе p-n - перехода, зонная диаграмма, принцип работы, параметры.

48. Фотодиоды на основе p-i-n - перехода, зонная диаграмма, принцип работы, параметры.

49. Лавинные фотодиоды, зонная диаграмма, принцип работы, параметры. Фотодиоды с барьером Шоттки, структурная схема, принцип работы. Герерофотодиоды, структурная схема, принцип работы.

50. Фототранзисторы, зонная диаграмма, принцип работы, параметры. МДП фототранзисторы, принцип работы, параметры. Гетерофототранзисторы, принцип работы, параметры.

51. Фототиристоры, фотосемисторы, ВАХ, принцип работы, параметры.

52. Фотоприемники световых образов. Фотоэлементы, зонная диаграмма, принцип работы, параметры.

Модуль 6.

53. Светодиоды, зонная диаграмма, принцип работы, параметры.

54. Лазеры на p-n – переходе, зонная диаграмма, принцип работы, параметры.

Модуль 7.

55. Гальваномагнитный эффект Холла.

56. Термоэлектрический эффект Пельтье.

57. Термоэлектрический эффект Зеебека.

58. Вторичная электронная эмиссия.

9. Ресурсное обеспечение дисциплины.

9.1. Материально-техническое обеспечение дисциплины 9.1.1 Специализированная лаборатория «Контрольно-измерительных приборов, преобразовательной техники»:

Лабораторный стенд "Изучение полупроводниковых диодов ";

Лабораторный стенд "Исследование реальной структуры кристаллов металлографическим методом";

Лабораторный стенд "Определение ширины запрещенной зоны полупроводника";

Лабораторный стенд "Определение контактной разности потенциалов между металлом и полупроводником";

Лабораторный стенд "Изучение туннельного диода";

Лабораторный стенд "Изучение полупроводников с помощью эффекта Холла".

Магазин сопротивлений МСР60 Вольтметр В3 -38 Блок питания ВСП 33 Мост переменного тока Р-589 Магнит настольный Ионометр ЭВ-74 Измеритель ИСТИ Вольтметр Ф-203 Вольтметр В7- Цифровая паяльная станция Quik 203 Термовоздушная паяльная станция Печь оплавления припоя Паяльная станция RDS 80 Манипулятор монтажа SMD компонентов Кондиционер GREE KFR Микроскоп МИН-8 Микроскоп МБР-1 Блок питания Б5 49 Блок питания Б5 48 Блок питания Б 9.1.2.Технические средства обучения и контроля.

9.1.2.1. Специализированная лаборатория «Контрольно-измерительных приборов, преобразовательной техники».

9.1.2.2. Использование тестовых заданий для текущего контроля знаний студентов, полученных при самостоятельном изучении лекционного курса.

9.1.3 Вычислительная техника.

9.1.3.1. При изучении теоретического курса - работа студентов с обучающе-контролирующими программами, содержащими учебный материал по отдельным вопросам курса.

9.1.3.2. При проведении лабораторных работ - применение расчетных программ по обработке результатов эксперимента, а также обучающе-контролирующих программ по проверке усвоения студентом знаний, полученных при выполнении лабораторной работы.

9.2. Учебно-методическое и информационное обеспечение 9.2.1. Основная литература 1. Ефимов И. Е. Основы микроэлектроники [Текст] : учеб. для техн. вузов / И. Е. Ефимов, И. Я.

Козырь, 2008. - 383, [1] с.

2. Марголин, Владимир Игоревич. Физические основы микроэлектроники [Текст] : учеб. для вузов по специальности "Проектирование и технология радиоэлектронных средств" направления "Проектирование и технология электронных средств" / В. И. Марголин, В. А. Жабрев, В. А. Тупик, 2008. - 398, [1] с.

3. Щука Александр Александрович. Электроника [Текст] : учеб. пособие для вузов по специальности 654100 "Электроника и микроэлектроника" / А. А. Щука ; под ред. А. С. Сигова, 2006. - 799 с.

9.2.2. Дополнительная литература 1. Шкаев А.Г. Твердотельная электроника: конспект лекций. - Омск: ОмГТУ, 2009. – 56 с.

2. Шкаев А.Г. Твердотельная электроника: методические указания. / сост. А.Г. Шкаев. - Омск:

ОмГТУ, 2009. – 27 с.

3. Михайлов А.В. Физические основы электроники: активные электронные компоненты и компоненты оптоэлектроники: учеб. пособие / Михайлов А.В., Родионов М. Г., Горшенков А. А.; Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 103, [1] с. (гриф) 4. Иванова Елена Владимировна. Физические основы микроэлектроники [Текст] : учеб. пособие для вузов по направлению 210200 и специальности 210201 / Е. В. Иванова, А. А. Бабиков, 2006. - 94, [1] 9.2.3. Периодические издания 1. Журналы «Компоненты и технологии». 2006 – 2010 гг..

2. Радиотехника и электроника. 1975- 9.2.4. Информационные ресурсы 1. Научная электронная библиотека elibrary.ru 2. Полнотекстовая база данных «Integrum».

3. ЭБС «АРБУЗ».

библиотеки)