Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»
Факультет Электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины Физика. Физические основы электронной техники
для специальности 210107.65 "Электронное машиностроение" подготовки специалиста
Автор программы: доц.,к. т.н. *****@***ru
Одобрена на заседании кафедры "Электроника и наноэлектроника" «___»_________2012 г.
Зав. кафедрой ______________
Рекомендована секцией УМС «Электроника» «___»_________ 2012 г.
Председатель __________________________
Утверждена УС факультета Электроники и телекоммуникаций «___»__________2012 г.
Ученый секретарь________________________
Москва, 2012
2 Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника»
Программа разработана в соответствии с:
· Образовательным стандартом ГОС ВПО по направлению подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника»
· Образовательной программой для подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника»
· Рабочим учебным планом университета по направлению подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника», утвержденным в 2011г.
3 Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Физические основы электронной техники» являются
• изучение физических процессов и законов, лежащих в основе принципов
действия полупроводниковых приборов
• формирование навыков экспериментальных исследований и техники
измерений характеристик и параметров полупроводниковых приборов
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
· Знать основы физики твёрдого тела, принципы использования физических эффектов в твёрдом теле в электронных приборах и устройствах твёрдотельной электроники
· Уметь применять полученные знания при теоретическом анализе, и экспериментальном исследовании физических процессов, лежащих в основе принципов работы приборов и устройств твёрдотельной электроники, осуществлять оптимальный выбор прибора для конкретного применения
· Владеть информацией об областях применения и перспективах развития приборов и устройств твёрдотельной электроники
В результате освоения данной дисциплины студент осваивает следующие компетенции:
Компетенция | Код по ФГОС/ НИУ | Дескрипторы – основные признаки освоения (показатели достижения результата) | Формы и методы обучения, способствующие формированию и развитию компетенции |
Способность собирать, анализировать и систематизировать отеч. и зарубежную н-техн. инф-цию по тематике исследований в области электроники и наноэлектроники (форм. частично) | ПК-18 | Подготовка к семинарским занятиям, обсуждение заданий на семинарах, решение поставленных научных задач, правильное использование специализированной научной литературы | Посещение лекций, подготовка к семинарским занятиям и работа на них. Выполнение домашних и контрольных работ |
Готовность анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчётов, презентаций (форм. частично) | ПК-21 | Способность сформулировать цель исследований, выбор методы её достижения, участие в дискуссиях на семинарах | Подготовка специализированного материала, дискуссия на семинарах |
Создание текстов, сообщений | ИК-Б 2.2.1 (Э) | Самостоятельная подготовка научного материала | Дискуссии на семинарах |
Использование ИКТ для поиска и обработки информации | ИК-Б 4.1.(Э) | Поиск научной информации в электронных базах | Подготовка научного систематизированного материала |
4. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Настоящая дисциплина относится к циклу математических естественно научных, дисциплин и блоку дисциплин, обеспечивающих профессиональную подготовку.
Для специализаций с профилем подготовки «Электронное машиностроение» и «Микроэлектроника и твёрдотельная электроника» настоящая дисциплина является базовой.
Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах:
· Физика
· Материалы электронной техники
Для освоения учебной дисциплины, студенты должны владеть следующими знаниями и компетенциями:
• способность владеть основными приёмами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5)
• способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6)
Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении следующих дисциплин:
• вакуумная и плазменная электроника
• технология материалов электронной техники
• технология электронного машиностроения
4 Тематический план учебной дисциплины
Название раздела | Всего часов | Аудиторные часы | Самостоятельная работа | |||
Лекции | Семинары | Лаб. раб. | ||||
1 | Введение | 6 | 2 | - | - | 2 |
2 | Основы зонной теории твёрдых тел | 15 | 5 | 3 | - | 4 |
3 | Статистика свободных носителей заряда в полупроводниках и металлах | 23 | 9 | 4 | 4 | 6 |
4 | Электропроводность твёрдых тел | 17 | 6 | 2 | 4 | 5 |
5 | Контакт металл-полупроводник | 6 | 3 | - | 3 | |
6 | Теория pn-перехода | 27 | 12 | 5 | 4 | 8 |
7 | Приборы твёрдотельной электроники | 28 | 12 | 3 | 5 | 8 |
8 | заключение | 2 | 2 | - | - |
5 Формы контроля знаний студентов
Тип контроля | Форма контроля |
| |||
1мод | 2 мод | Параметры |
| ||
Текущий (неделя) | Контрольная работа | + | письменная работа 60 минут |
| |
Домашнее задание | + | + | Дискуссии по разделам курса (устно) |
| |
Промежуточный | Зачет | + | + | Минизачеты по темам |
|
Экзамен | + | Тесты на 90 мин. |
| ||
Итоговый | Экзамен | + | устный |
|
5.1 Критерии оценки знаний, навыков
Текущий контроль предусматривает учёт активности студентов в ходе проведения семинаров, выступлений по конкретному разделу, консультаций с преподавателем
Промежуточный контроль предусматривает в срок написанную контрольную работу, защиту соответствующих разделов курса
Итоговый контроль проводится в устной форме по соответствующим билетам дисциплины
Итоговая оценка формируется как взвешенная сумма оценки, накопленной в течение курса и оценки за контрольную работу.
Накопленная оценка (НО) (максимум 10баллов) включает оценку за работу на семинарах Осем и подготовку ДЗ и формируется по правилу: НО = 0.5Осем+0.5ОДЗ
Итоговая оценка ИО (максимум 10баллов) по курсу определяется с учётом накопленной оценки ( с весом 0,4) и оценки за устный экзамен в конце курса ( с весом 0,6) по след. формуле: ИО=0,4•НО + 0,6•ИЗ
Устный экзамен является обязательным, независимо от накопленной за учебный год оценки. Студент, не явившийся на зачёт без уважительной причины или получивший на устном экзамене неудовлетворительную оценку (от1 до 3 баллов), получает неудовлетворительную оценку за курс в целом.
Пересдача по курсу (П) (первая, вторая) представляет собой устный экзамен по билетам, за который выставляется оценка (максимум 10 баллов)
Итоговая оценка по курсу после пересдачи (ИОП) (первой, второй) определяется с учётом накопленной оценки ( с весом 0,4) и оценки за пересдачу ( с весом 0,6) по след. формуле: ИОП=0,4•НО + 0,6•П
Все округления производятся в соответствии с общими математическими правилами.
Оценки за курс определяются по пятибалльной и десятибалльной шкале
Количество набранных баллов | Оценка по десятибалльной шкале | Оценка по пятибалльной шкале |
9,5-10 | 10 | отлично |
8,5-9,4 | 9 | отлично |
7,5-8,4 | 8 | отлично |
6,5-7,4 | 7 | хорошо |
5,5-6,4 | 6 | хорошо |
4,5-5,4 | 5 | удовлетворительно |
3,5-4,4 | 4 | удовлетворительно |
2,5-3,4 | 3 | неудовлетворительно |
1,5-2,4 | 2 | неудовлетворительно |
0–1,4 | 1 | неудовлетворительно |
Активность на семинарских занятиях оценивается по след. критериям:
-ответы на вопросы, предлагаемые преподавателем
-обсуждение сложных вопросов по предложенной тематике у доски,
либо индивидуально с преподавателем
Письменная контрольная работа выполняется в конце указанного раздела в присутствии преподавателя. Перед началом работы даются вопросы, которые составлены с учётом материала, пройденного во втором модуле как на лекционных, так и на семинарских занятиях. Ответ излагается письменно. Использование текстов, калькуляторов, телефонов и др. средств связи запрещено. Время написания работы – 80мин.
6 Содержание дисциплины
Введение – 1час
Предмет дисциплины и ее задачи. Основные этапы развития электроники. Роль материалов в развитии элементной базы электронной техники. Полупроводниковые приборы как основные элементы микроэлектроники.
Тема 1. Основы зонной теории твердых тел – 6час
Энергетические уровни электронов в изолированном атоме. Обобществление электронов в кристалле. Образование энергетических зон. Заполнение зон электронами. Деление тел на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории. Собственные и примесные полупроводники.
Тема 2. Статистика свободных носителей заряда в полупроводниках и металлах – 9час
Вырожденный и невырожденный электронный газ. Полная функция распределения. Понятие уровня Ферми. Зависимости концентраций электронов и дырок в полупроводнике от энергии Ферми. Энергия Ферми и концентрация свободных носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках в зависимости от температуры. Компенсированные полупроводники. Сильнолегированные полупроводники. Закон действующих масс. Равновесные и неравновесные носители заряда.. Время жизни. Типы рекомбинации..
Тема 3. Электропроводность твердых тел-5 час
Дрейф свободных носителей заряда в электрическом поле. Процессы рассеяния электронов в кристалле на примесных ионизированных атомах и тепловых колебаниях решетки. Удельная электропроводность. Зависимость подвижности свободных носителей заряда для вырожденных и невырожденных кристаллов от температуры. Электропроводность металлов. Влияние температуры на электропроводность собственных и примесных полупроводников.
Тема 4. Контакт металл-полупроводник – 3час
Работа выхода. Контактная разность потенциалов. Блокирующий контакт металла с полупроводником. Выпрямление на контакте полупроводника с металлом. Омический контакт.
Тема 5. Теория pn– перехода – 12час
Электронно-дырочный переход. Формирование и классификация pn-переходов. Равновесное состояние. Энергетическая диаграмма. Высота потенциального барьера и контактная разность потенциалов. Прямое и обратное включение pn-перехода. Барьерная емкость. Инжекция и экстракция неосновных носителей заряда. Влияние процессов генерации и рекомбинации в слое объемного заряда а на ВАХ pn-перехода. Влияние сопротивления базовой области на ВАХ pn-перехода. Влияние температуры на ВАХ pn -перехода. Пробой pn - перехода. Тепловой, лавинный, туннельный пробои. Импульсные свойства pn - перехода. Диффузионная емкость. Высокочастотные свойства pn - перехода.
Тема 6. Приборы твердотельной электроники – 15 час
Полупроводниковые диоды. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Структура, основные параметры, назначение выпрямительных диодов. Выпрямительные диоды Шоттки. Стабилитроны.
Биполярные транзисторы. Структура, принцип действия, схемы включения. Энергетическая диаграмма БТ при работе в усилительном режиме. Коэффициенты передачи токов эмиттера и базы. Входные и выходные характеристики БТ в схемах с ОБ и ОЭ. Эффект Эрли.
Полевые транзисторы с управляющим pn-переходом. Структура, принцип действия, основные параметры. Статические выходные характеристики и характеристики передачи.
МДП-транзисторы. Структура, принцип действия и схемы включения МДП-транзисторов. Транзисторы с индуцированным и со встроенным каналами. Статические выходные характеристики и характеристики передачи.
Тиристоры. Структура и принцип действия диодного тиристора. Энергетические диаграммы. Открытое и закрытое состояние. ВАХ тиристора. Триодный тиристор. Принципы управления.
Заключение. Основные направления развития твердотельной электроники.
6. Рекомендуемая литература :
Основная литература:
1. , Мома основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА. – М. «Высшая школа», 1983г
2. , Мома электроника. –М. «Высшая школа», 1986г.
3. , Чиркин приборы. Учебник для вузов.-СПб.:Издательство»Лань», 200с.
Дополнительная литература:
1. Епифанов твердого тела. –М. «Высшая школа», 1979г.
2. Епифанов основы микроэлектроники.-М., «Высшая школа»,1978г.
Понедельный план проведения занятий лекционных и практических
№ недели | Тема лекционных занятий | Тема практических занятий |
1 неделя | Введение. Энергетические уровни электронов в изолированном атоме. Обобществление электронов в кристалле. Образование энергетических зон. | |
2 неделя | Деление тел на металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зон. теории. Собственные и примесные полупроводники. | Основы зонной теории |
3 неделя | Вырожденный и невырожденный электронный газ. Полная функция распределения. Состояние электронного газа в металле при различных температурах. Понятие уровня Ферми | |
4 неделя | Энергия Ферми и концентрация свободных носителей заряда в собственных и примесных полупроводниках в зависимости от температуры. | Элементы физической статистики |
5 неделя | Компенсированные полупроводники. Сильнолегированные полупроводники. Закон действующих масс. Равновесные и неравновесные носители заряда. Время жизни. Типы рекомбинации. | |
6 неделя | Дрейф свободных носителей заряда в Эл. поле. Процессы рассеяния электронов в кристалле на примесных ионизированных атомах и тепловых колебаниях решётки. Удельная электропроводность. Зависимость подвижности своб. нос. зар. от температуры. | Невырожденные полупроводники |
7 неделя | Электропроводность собственных и примесных полупроводников. Влияние температуры. Электропроводность металлов. | |
8 неделя | Контакт металл-полупроводник | Электропроводность полупроводников и металлов |
9 неделя | Образование и типы pn-переходов. Равновесное состояние pn-перехода | |
10 неделя | Барьерная ёмкость pn - перехода | Равновесное состояние pn - перехода |
11 неделя | Прямой и обратные токи pn-перехода. Пробой pn - перехода | |
12 неделя | Импульсные и высокочастотные свойства pn- перехода. . | ВАХ pn - перехода |
13 неделя | Полупроводниковые диоды | |
14 неделя | Биполярные транзисторы | Диоды Шоттки |
15 неделя | Полевые транзисторы с управляющим pn- переходом | |
16 неделя | МДП-транзисторы | Биполярные и полевые транзисторы |
17 неделя | Тиристоры. Заключение |
Лабораторный практикум
№ | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ |
1 22 21 28 | 1, 2,3, - 9 неделя 5 -11 неделя 6 – 13 неделя 6-15неделя | Определение ширины запрещенной зоны полупроводника Барьерная емкость pn - перехода Исследование влияния температуры на вольт-амперную характеристику выпрямительного диода Исследование статических характеристик биполярных транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером |
Учебно-методическая литература:
1. Методические указания с краткой теорией к выполнению лабораторной работы
« Определение ширины запрещенной зоны полупроводника » (лаб. раб.№1).
2. Методические указания с краткой теорией к выполнению лабораторных работ «Барьерная емкость pn -перехода» и «Исследование влияния температуры на вольт-амперную характеристику pn - перехода» ( лаб. раб.№ 22 и 21, соотв.)
3. Методические указания с краткой теорией к выполнению лабораторных работ
«Исследование статических характеристик биполярных транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером» (лаб. раб.№ 28)
Программное обеспечение
- Системные программные средства: Microsoft Windows XP
- Прикладные программные средства Microsoft Office 2007 Pro, FireFox
- Интернет-браузер Internet Explorer или Mozilla Firefox для проведения семинаров по материалам соответствующих разделов курса электроники.
-
Рекомендуемая литература для самостоятельной работы
1. Теоретическая часть к методическим указаниям по курсу «Твёрдотельная электроника»: «Краткая теория pn-перехода» Моск. гос ин-т электроники и математики;Сост.: М.,2003г
2. Методические указания с краткой теорией к выполнению лабораторных работ по курсу «Твёрдотельная электроника»: «Барьерная емкость pn - перехода» и «Исследованиие влияния температуры на вольт-амперную характеристику pn -перехода» . Моск. гос ин-т электроники и математики;Сост.: М.,2002г
3. Методические указания с краткой теорией к выполнению лабораторных работ по курсу «Твёрдотельная электроника»: «Исследование статических характеристик полевого транзистора с управляющим pn переходом» Моск. гос. ин-т электроники и математики;Сост.: М.,2004г
Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Оборудование для проведения лабораторных работ
№ работы | Название работы | Кол-во установок | Наименование приборов (для одной установки) |
1 | Барьерная ёмкость pn-перехода | 1 | Универсальный лабораторный стенд с набором измерительных приборов |
2 | Исследование влияния температуры на вольтамперную характеристику выпрямительного диода | 1 | Универсальный лабораторный стенд с набором измерительных приборов |
3 | Исследование статических характеристик биполярного транзистора | 1 | Универсальный лабораторный стенд с набором измерительных приборов |
4 | Определение ширины запрещённой зоны полупроводника | 1 | Универсальный лабораторный стенд с набором измерительных приборов |
Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
В интерактивных формах проводятся 9 часов практических занятий. В качестве оценочного средства для текущего контроля успеваемости проводится написание студентами коротких тестовых работ по основам пройденного на лекциях теоретического материала с последующим обсуждением, которое проходит в форме конференции. Это позволит выделить главные физические принципы рассматриваемых явлений,
обсудить физическую сущность явлений и процессов в твердых телах и приборах твердотельной электроники. Активность, правильность высказываемых мнений, способность логического объяснения материала учитываются при выставлении оценки контрольных работ.
Автор программы
