Физические основы ЭВМ

МИНОБРНАУКИ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИКИ

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета

« » 2010 г.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ

(ЕН. Р.02)

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

трудоемкость дисциплины 2 зачетные единицы

НАПРАВЛЕНИЕ 010400 – ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Томск

2010

УТВЕРЖДЕНО кафедрой прикладной информатики. Протокол №50 от 01.01.2001 г. Зав. кафедрой, профессор

СОСТАВИТЕЛЬ к. т.н., доцент кафедры прикладной информатики

II. Организационно-методический раздел

Цель курса – изучение физических основ функционирования элементной базы ЭВМ.

Задача учебного курса – знание основ физики функционирования полупроводниковых приборов, используемых в компьютерах, и принципов технологии производства этих приборов.

Дисциплины-предшественники – физика.

Требования к уровню освоения дисциплины – понимание основ физики полупроводников и полупроводниковых приборов, основных принципов технологии производства полупроводников и приборов на их основе, а также адекватное понимание информации о принципах работы устройств вычислительной техники.

III. Содержание дисциплины

III.1.  Лекционный курс

Тема 1. Введение. Обзор курса.

Зарождение вакуумной электроники. Электрическая дуга Василия Петрова. Дуговая свеча . Электрическая лампа накаливания . Усовершенствование лампы Т. Эдисоном. Ламповый диод . История открытия полупроводников. Изменение электропроводности металлов и полупроводников в зависимости от температуры. Работы Хэмфри Дэви, Томаса Зеебека, Майкла Фарадея, Уилоби Смита, К. Брауна. Первый обзор И. Кенигсбергера по полупроводникам. Создание полупроводникового детектора. Работы Шоттки по теории твердотельного выпрямителя. Обнаружение полупроводниковых свойств у германия. Теория о подвижных дырках (дырочной проводимости). Разработки в СССР полупроводниковых диодов, транзисторов и солнечных элементов. Отечественные работы по созданию полупроводниковых лазеров. Создание первой интегральной схемы на кремнии. Взаимосвязь между достижениями физики и технологии полупроводников.

Тема 2. Основы материаловедения полупроводников.

Некоторые свойства полупроводников и основные группы полупроводниковых материалов. Отличительные свойства полупроводников. Структура твердых тел. Виды элементарных ячеек твердых тел. Основные группы полупроводниковых материалов. Электронная конфигурация атомов в полупроводниках. Теории электропроводности Друде и Зоммерфельда. Влияние кристаллической структуры на электропроводность твёрдых тел. Дефекты кристаллической структуры. Аморфные тела, изотропия и анизотропия. Отличия механических свойств кристаллов и аморфных тел.

Тема 3. Элементарные полупроводники. Полупроводниковые соединения.

Химические связи в полупроводниках, производных от ANB8−N Полупроводниковые соединения других групп: Соединения AIVBVI Примеси в полупроводниках. Получение чистых полупроводниковых материалов. Кристаллизационные методы очистки. Выращивание объемных полупроводниковых монокристаллов. Получение кристаллов из жидкой фазы. Выращивание кристаллов из газообразной фазы. Легирование полупроводниковых материалов. Монокристаллические пленки: эпитаксия, основные закономерности роста эпитаксиальных пленок при выращивании из газообразной фазы.

Тема 4. Основные свойства и характеристики полупроводников и полупроводниковых приборов.

Уровень Ферми. Электроны и дырки. Объяснение температурных зависимостей коэффициентов электропроводности металлов и полупроводников на основе простейшей модели энергетических зон. Модели зонных структур полупроводников: собственные и примесные полупроводники. Концентрация носителей заряда в собственном и примесном полупроводнике. Токи в полупроводниках.

Тема 5. Разновидности электрических переходов.

Выпрямляющие и невыпрямляющие электрические переходы. Электрический переход между полупроводником и металлом (переход или барьер Шотки). Физические явления в р-n-переходе: электронно-дырочный переход в равновесном и неравновесном состояниях. Статическая вольт-амперная характеристика p-n – перехода. Пробой p-n-перехода. Полупроводниковые диоды: статический режим, динамические свойства диода. Функциональные типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды, импульсные диоды, диоды Шоттки, полупроводниковые стабилитроны, стабисторы, варикапы. Схемы стабилизации напряжения. Фотодиоды. Полупроводниковые источники излучения. Лазер на p-n-переходе.

Тема 6. Взаимодействие двух близкорасположенных электронно-дырочных переходов.

Изобретение биполярного транзистора. Биполярные транзисторы. Физические процессы в транзисторах. Биполярный транзистор в режиме усиления. Схемы включения транзисторов. Параметры и эквивалентные схемы биполярных транзисторов. Инерционные свойства биполярных транзисторов. Униполярный (полевой) транзистор Шокли. RS-триггер как элемент памяти. МДП транзистор со встроенным каналом. Применение для флэш-памяти.

Тема 7. Полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельный диод. Диоды Ганна. Тиристоры. Симметричные тиристоры (симисторы). Основные параметры тиристоров.

Тема 8. Микроэлектроника и производство интегральных микросхем.

Классификация интегральных микросхем. Основные термины и определения. Биполярные интегральные схемы. Диоды интегральных схем. Резисторы и конденсаторы интегральных схем. Катушки индуктивности интегральных схем. Условные обозначения микросхем.

Тема 9. Внешняя память в ЭВМ.

Магнетизм. Магнитные материалы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Кривая намагничивания ферромагнетиков. Температура Кюри. Доменная структура. Принципы записи и считывания информации на магнитных носителях. Оптическая память. CD и DVD диски.

Тема 10. Принципы отображения визуальной информации.

Алфавитно-цифровые и графические (аналоговые) мониторы. Электронно-лучевая трубка. Физические процессы в ЭЛТ. Формирование изображения в ЭЛТ, строчная и кадровая развертки. Отображение информации о цвете. Плоские жидкокристаллические (LCD) дисплеи, плазменные (газоразрядные PDP) мониторы, дисплеи с излучающим полем (FED).

IV. Распределение часов курса по темам и видам работ

№№ пп	Наименование тем	Всего часов	Аудиторные занятия (час), в том числе	Самостоятельная работа
			лекции	семинары	лабораторные занятия
1	Введение. Обзор курса	4	2			2
2	Основы материаловедения полупроводников	10	6			6
3	Элементарные полупроводники. Полупроводниковые соединения	10	4			6
4	Основные свойства и характеристики полупроводников и полупроводниковых приборов	10	4			6
5	Разновидности электрических переходов	10	4			6
6	Взаимодействие двух близкорасположенных электронно-дырочных переходов	6	6			4
7	Полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением	8	2			6
8	Микроэлектроника и производство интегральных микросхем	16	4			10
9	Внешняя память в ЭВМ	10	2			6
10	Принципы отображения визуальной информации	14	2			10
ИТОГО		98	36	0	0	62

V. Учебно-методическое обеспечение курса

V.1.  Основная литература

1.  . Основы материаловедения и технологии полупроводников. Москва. Высшая школа. – 2002 – 376с.

2.  , Стафеев полупроводниковых приборов. - М.: Радио и связь, 1990 – 264 с.

3.  . Физика элементов ЭВМ. Учебное пособие. - М.: Моск. унив., 1с.

4.  У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982.

5.  , , . Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 19с.: ил.

V.2.  Дополнительная литература

1.  , Дашевский полупроводников и диэлектриков. М.: Металлургия, 1988.

2.  Бонч‑Бруевич  полупроводников /-Бруевич, С. Г. Калашников. М.: Наука, 19 с.

3.  , Таиров полупроводниковых приборов. М.: Высш. шк., 1984

4.  Шалимова полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985.

5.  . Вехи развития отечественной интегральной электроники. // ИИЕТ РАН. Годичная научная конференция 2004 г. М.: Диполь-Т, 2004, с.676-681.