Физические основы электроники

Рабочая программа учебной дисциплины

Ф ЭФФ 7.1-21/01

Утверждаю

Декан факультета:

(подпись) (И. О., фамилия)

(дата)

физические основы электроники (название дисциплины)

Рабочая программа для направления (специальности, специализации) 200300 «Биомедицинская инженерия»

Специальность200401 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»

(номер и название направления, специальности и специализации)

Факультет Электрофизический, ЭФФ

(полное название и сокращенное обозначение)

Обеспечивающая кафедра Промышленной и медицинской электроники

Курс второй .

Семестр четвертый .

Учебный план набора 2008 года с изменениями года

Распределение учебного времени

Лекции 42 часов (ауд.)

Лабораторные занятия 26 часов (ауд.)

Практические (семинарские) занятия 8 часов (ауд.)

Курсовой проект в семестре – часов (ауд.)

Курсовая работа в семестре – часов (ауд.)

Всего аудиторных занятий 76 часов

Самостоятельная (внеаудиторная) 85 часов

работа

Общая трудоемкость 161 часов

Экзамен в четвертом семестре

Зачет в семестре

Диф. зачет в семестре

2009

(год)

Документ: E:\аккредитация\Физические основы электроники\Рабочая программа(тит).doc/ стр. 1 из 1

Дата разработки 01.09.09

Рабочая программа учебной дисциплины

Ф ЭФФ 7.1-21/01

Предисловие

1. Рабочая программа составлена на основе ГОС ВПО по направлению (специальности) 200300 –«БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ» ,

(код и наименование)

утвержденного 10.03.00г. № 21 тех/бак, и ОС ТПУ ВПО по направлению

(дата) (обозначение или наименование другого

200300- «БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ» специальность 200401 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»

документа университетского уровня по направлению, специальности, специализации)

РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры Промышленной и медицинской электроники 30.08.2004 протокол № 14.04 .

(наименование кафедры) (дата)

2. Разработчик(и)

Доцент ПМЭ .

(должность) (кафедра) (подпись) ()

3. Зав. обеспечивающей кафедрой ПМЭ Г С Евтушенко .

(подпись) ()

4. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, выпускающими кафедрами специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.

Зав. выпускающей кафедрой ПМЭ

(подпись) ()

Документ: E:\аккредитация\Физические основы электроники\Рабочая программа(тит).doc/ стр. 1 из 1

Дата разработки 01.09.09

Физические основы электроники

200300(б), 200401(с),

200300(б), 200117(м),

Каф. ПМЭ ЭФФ

Доцент, к. т.н.

Тел. (3822), e-mail: *****@***ru

Цель: ознакомить с основами физической электроники, раскрыть сущность физических явлений и процессов обуславливающих принцип действия и параметры большого числа электронных, ионных и полупроводниковых приборов применяемых при разработке и изготовлении различных устройств и аппаратов медицинской и электронной техники. Сформировать умения обоснованно выбирать тот или иной тип прибора в зависимости от области конкретного применения и условий экс­плуатации.

Содержание: основные закономерности движения заряженных частиц в газах и вакууме, разряды в газах, явления электронной эмиссии, кристаллическая структура полупроводников, законы распределения носителей заряда в энергетических зонах, явления переноса, электронно-дырочный переход, гетеропереходы, контактные явления в полупроводниках;. полупроводниковые диоды, биполярные транзисторы, тиристоры, полевые транзисторы с управляющим переходом, МДП - транзисторы, полупроводниковые излучатели и фотоприемники, полупроводниковые датчики, сенсорные устройства и преобразователи - принципы действия и характеристики.

Курс 2 (4 сем. - экзамен).

Всего 161 ч, в т. ч. Лк.- 42 ч, ЛБ.- 26 ч., Пр.- 8 ч.

1. Цель и задачи учебной дисциплины.

1.1. Цели преподавания дисциплины:

Ознакомить с основами физической электроники, раскрыть сущность физических явлений и процессов обуславливающих принцип действия и параметры большого числа электронных и полупроводниковых приборов применяемых при разработке и изготовлении различных устройств промышленной электроники.

1.2. Задачи изложения и изучения дисциплины:

-  Изучение физических явлений в вакууме, газах и электронных процессов в твердых телах.

-  Усвоение принципа действия основных типов электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборов.

-  Изучение особенностей конструкции, технологии изготовления, условных обозначений, основных параметров и характеристик различных типов электронных приборов.

-  Научиться обоснованно выбирать тот или иной тип прибора в зависимости от области конкретного применения и условий эксплуатации.

-  Приобрести навыки практической работы со справочной литературой.

2. Содержание теоретического раздела дисциплины.

ВВЕДЕНИЕ (2 часа)

Предмет исследования курса, его роль и положение среди других дисциплин. Краткий исторический обзор. Классификация и общая характеристика электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборов.

Литература: [1]; [3]; [4]; [11].

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ И ГАЗАХ, ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ.

(10 часов)

ТЕМА 1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ.

Основные закономерности, характеризующие газовую среду. Генерация и исчезновение заряженных частиц. Общая характеристика и классификация разрядов в газе. Несамостоятельный разряд. Явление газового усиления. Условия возникновения самостоятельного разряда. Закон Пашена. Тлеющий разряд, его особенности и применение. Дуговой разряд и его разновидности. Искровой разряд. Коронный разряд. Разряд инициируемый в электрических и магнитных полях. Высокочастотные разряды. Общие характеристики плазмы, ее получение и применение. Литература: [1], [2], [3], [4].

ТЕМА 1.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ

Основные законы и характер движения заряженных частиц в вакууме. Электрический ток в вакууме при наличии объемного заряда. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Разновидности электровакуумных приборов, принцип действия, основные параметры и характеристики. Литература: [1], [2], [3], [4], [5].

ТЕМА 1.3. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

Термоэлектронная эмиссия. Уравнение термоэлектронной эмиссии. Влияние внешнего ускоряющего поля на термоэлектронную эмиссию, эффект Шотки. Оксидный катод, его структура и характеристики. Электростатическая эмиссия. Автоэмиссионные катоды. Автоэлектронная микроскопия. Явление фотоэлектронной эмиссии. Фотоэлектронная эмиссия металлов. Распределение фотоэлектронов по энергиям. Фотоэлектронная эмиссия полупроводниковых катодов. Вторичная электронная эмиссия металлов. Вторичная электронная эмиссия полупроводниковых эмиттеров. Применение вторичной электронной эмиссии. Литература: [1], [2], [3], [4], [5], [11].

РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ. (10 часов)

ТЕМА 2.1 ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Кристаллическая структура полупроводников. Энергетические зоны полупроводников. Энергетические зоны твердого тела. Образование носителей заряда в чистых и примесных полупроводниках. Уровень Ферми. Законы распределения носителей в зонах полупроводника. Удельная проводимость полупроводников. Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике. Время жизни носителей заряда. Дрейфовое и диффузионное движение носителей заряда в полупроводниках. Литература: [1], [3], [6], [7], [8], [10], [12].

ТЕМА 2.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ.

Классификация электронно-дырочных переходов. Анализ перехода в равновесном и неравновесном состоянии. Специальные типы переходов. Контакты металл-полупроводник. Анализ идеализированного диода. Особенности вольтамперной характеристики реального диода. Пробой электронно-дырочного перехода. Барьерная и диффузионная емкость перехода. Переходные процессы в диодах с электронно-дырочным переходом. Частотные свойства диодов с p-n переходом. Литература [1], [3], [6], [7], [8], [10], [12], [15].

ТЕМА 2.3. РАЗНОВИДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ.

Классификация и условные обозначения диодов. Выпрямительные диоды. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Импульсные диоды. СВЧ - диоды. Туннельные диоды. Диоды Шотки. Диоды Ганна. Лавинно-пролетные диоды. Литература [6], [7], [8], [12], [14].

РАЗДЕЛ 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ТИРИСТОРЫ. ПОЛЕВЫЕ ПРИБОРЫ. (16 часов).

ТЕМА 3.1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

Основные процессы в транзисторной структуре в равновесном состоянии и при наличии внешних напряжений. Статические характеристики идеализированного транзистора. (Формулы Молла-Эберса). Схемы включения и режимы работы транзисторных структур. Реальные статические вольт-амперные характеристики транзистора. Статические и динамические параметры транзистора. Зависимость параметров от режима и температуры. Схемы замещения транзистора в физических параметрах. Система h-параметров. Эквивалентные схемы транзистора как четырехполюсника с h-параметрами. Определение h-параметров по ВАХ транзистора. Связь h-параметров с физическими параметрами транзистора. Типы и разновидности биполярных транзисторных структур. Элементы технологии транзисторов. Дрейфовые транзисторы. Составные транзисторы. Однопереходные транзисторы. Особенности мощных биполярных транзисторов. Литература: [6], [7], [8], [10], [12], [14], [15], [16].

ТЕМА 3.2. ТИРИСТОРЫ.

Классификация и система обозначений тиристоров. Условные обозначения тиристоров различных типов. Физические процессы при включении и выключении тиристора. Вольт-амперная характеристика и статические параметры тиристора. Динамические параметры тиристора. Особенности работы двухоперационных тиристоров. Полупроводниковая структура симистора, особенность работы. Сравнительная характеристика тиристора и транзистора, работающего в ключевом режиме. Литература: [6], [7], [8], [10], [12], [14], [15].

ТЕМА 3.3. ПОЛЕВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ.

Классификация и система обозначений полевых полупроводниковых приборов. Физические процессы в структуре полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и его характеристики. Физические процессы в МДП - структурах. ВАХ, параметры и режимы эксплуатации МДП - транзисторов. Эквивалентные схемы замещения полевых транзисторов. Мощные полевые транзисторы на основе МДП структур и транзисторы со статической индукцией (СИТ). Сравнительная оценка полевых и биполярных транзисторов. Полевые приборы с зарядовой связью. Литература: [6]; [7]; [12]; [14].

РАЗДЕЛ 4. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ (4 часа)

ТЕМА 4.1. ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

Энергетические и световые параметры оптического излучения. Когерентность оптического излучения. Механизм генерации излучения в полупроводниках. Некогерентные излучатели. Внешний квантовый выход и потери излучения. Излучающие диоды на основе гетероструктур. Основные характеристики и параметры светоизлучающих диодов (СИД). Литература: [1]; [6]; [14]; [17].

ТЕМА 4.2. ФОТОПРИЕМНИКИ

Внутренний фотоэффект в полупроводниках. Фоторезисторы. Основные характеристики и параметры. Фотодиод, принцип действия и режимы эксплуатации. Разновидности фотодиодов и особенности их работы. Фотоприемники с внутренним усилением. Основные характеристики и параметры фотоприемников. Литература: [1]; [6]; [14]; [17].

ТЕМА 4.3. ОПТОПАРЫ

Структура оптоэлектронных приборов. Принцип действия, основные особенности. Виды оптических каналов. Основные требования к оптическим каналам. Разновидности и условные обозначения оптопар. Передаточные характеристики оптоэлектронных приборов и параметры изоляции оптопар. Литература: [6]; [14]; [15]; [17].

3. Цели и темы практических занятий по дисциплине

3.1. Цель проведения практических занятий:

-  Изучить основные физические явления и процессы протекающие в различных электронных приборах.

-  Усвоить принцип действия основных типов электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборов.

-  Ознакомиться с классификацией и системой условных обозначений электронных приборов.

-  Изучить особенности конструкции, элементы технологии изготовления, параметры и характеристики различных типов электронных приборов.

-  Разобраться в вопросах влияния внешних факторов, режимов работы приборов на их параметры и характеристики.

-  Научиться обоснованно выбирать тот или иной тип прибора в зависимости от области конкретного применения и условий эксплуатации.

-  Приобрести навыки практической работы со справочной литературой.

Занятия проводятся в форме решения конкретных задач по различным разделам дисциплины, как самостоятельно так и у доски под руководством преподавателя. Для закрепления пройденного материала на занятиях осуществляется опрос студентов и публичное обсуждение правильности и полноты ответов. По различным темам дисциплины имеется банк задач и контрольных вопросов. Студентам выдаются необходимые материалы (методические пособия, справочная литература, перечни вопросов для самоконтроля и контроля). На практических же занятиях проводятся контрольные работы, результаты которых являются основанием для рейтинговой оценки.

3.2. Темы выносимые на аудиторные практические занятия.

3.2.1. Электронная эмиссия. Электрический ток в вакууме и газах. Электровакуумные и ионные приборы. (2 час.)

а) классификация и система обозначений основных типов электровакуумных и ионных приборов;

б) расчет статических и динамических параметров многоэлектродных ламп;

в) графо-аналитический расчет динамического режима работы триода;

3.2.2. Основы физики полупроводников.(2 час.)

а) определение уровня Ферми;

б) вычисление концентраций свободных носителей заряда и удельного сопротивления полупроводников;

в) определение ширины запрещенной зоны;

г) расчет плотности дрейфового и диффузионного тока.

3.2.3. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковые диоды. (2 час.)

а) определение высоты потенциального барьера и ширины p-n-перехода в равновесном и неравновесном состоянии;

б) расчет физических параметров p-n-перехода и электрических характеристик полупроводниковых диодов при прямом и обратном включении;

в) определение барьерной и диффузионной емкости p-n-перехода диода при различных режимах его работы;

г) расчет простейших электронных схем на основе диодов и стабилитронов.

3.2.4. Биполярные и полевые транзисторы. (2 часов).

а) расчет статических характеристик биполярного транзистора на основе идеализированной схемы замещения;

б) определение режима работы транзистора в различных схемах его включения при разных уровнях и полярности питающих напряжений;

в) вычисление статических параметров транзистора для различных схем его включения;

г) расчет h-параметров и физических параметров транзистора по известным ВАХ;

д) определение основных параметров и расчет статических характеристик полевых транзисторов;

е) построение ВАХ и схем замещения полевых транзисторов;

ж) расчет простейших электронных схем на основе биполярного и полевого транзистора.

4. Цели выполнения и перечень лабораторных работ по дисциплине

4.1. Цель проведения лабораторных работ:

Ознакомиться с параметрами, характеристиками и особенностями конструкции различных типов электронных приборов.

Приобрести практические навыки работы с измерительными приборами, сборки и настройки простейших электронных схем.

Научиться основным приемам получения экспериментальных данных необходимых для определения параметров и построения характеристик исследуемых приборов.

Научиться определять основные параметры и характеристики электронных приборов на основе экспериментальных данных, полученных при выполнении лабораторных работ.

Уметь объяснить сущность изучаемого физического явления или процесса на основании полученных экспериментальных данных и характеристик исследуемого прибора.

Лабораторные занятия по дисциплине охватывают все основные разделы курса. Лабораторные работы проводятся фронтально, после проверки преподавателем правильности собранных схем и ответов студентов на ряд контрольных вопросов. Итоги выполнения работ оформляются студентами в виде отчетов, защищаемых перед получением допуска к следующему занятию. Защита выполненных работ осуществляется каждым студентом. Допуск к защите возможен только при наличии полностью выполненного отчета и ответов студента на ряд контрольных вопросов. При подготовке к лабораторным работам студенты используют конспекты лекций, методические указания и справочные пособия. Лабораторные работы проводятся в специализированной лаборатории кафедры промышленной и медицинской электроники.

4.2. Перечень лабораторных работ по дисциплине.

4.2.1. Исследование разрядов в газе (2 часа).

4.2.2. Термоэлектронная эмиссия и прохождение тока в вакууме (2 часа).

4.2.3. Измерение характеристик и параметров вторичной электронной эмиссии (2 часа).

4.2.4. Исследование статических и динамических характеристик полупроводниковых диодов и стабилитронов (4 часа).

4.2.5. Статические характеристики и параметры биполярных транзисторов (4 часа).

4.2.6. Статические характеристики и параметры полевых транзисторов (4 часа).

4.2.7. Исследование статических и динамических характеристик триодного тиристора (4 часа).

4.2.8. Исследование статических характеристик и параметров оптоэлектронных приборов (4 часа).

Примечание: лаборатория оборудована универсальными стендами с источниками питания и встроенными в лицевую панель измерительными приборами. двухканальными осциллографами С1-69, генераторами синусоидальных сигналов Г3-102, генераторами прямоугольных сигналов Г5-54, Г5-15. Стенды имеют наборные поля, соединительные провода и модули с расположенными на них различными электронными элементами.

5. Программа самостоятельной познавательной деятельности по дисциплине

Внеаудиторная работа студентов по дисциплине заключается в:

-  самостоятельном изучении материала теоретических занятий;

-  подготовке к лабораторным занятиям;

-  подготовке к практическим занятиям;

-  подготовке к контрольным работам;

-  выполнении индивидуальных заданий;

-  выполнении дополнительных заданий за нарушение график работы, пропуски занятий.

Для закрепления теоретического материала, выполнения отчетов по лабораторным работам, индивидуальных заданий по дисциплине во внеучебное время студентам предоставляется возможность пользования библиотекой ТПУ, методическими указаниями по выполнению лабораторных работ, методическими пособиями и контролирующими материалами по дисциплине. Студенты имеют возможность получить косультации по вопросам дисциплины у ведущего лектора.

6. Текущий и итоговый контроль результатов изучения дисциплины

По дисциплине имеется экзамен, который сдают все студенты вне зависимости от рейтинга по результатам текущего контроля. К экзамену допускаются студенты, выполнившие и защитившие все лабораторные работы, индивидуальные задания, сдавшие все контрольные работы. Примеры экзаменационных билетов и индивидуальных заданий прилагаются. Студентам доступен перечень вопросов, включаемых в экзаменационные билеты.

Текущий контроль производится путем проведения трех контрольных работ, выполнения студентами в установленные сроки
трех индивидуальных заданий и отчетов по лабораторным работам. Контрольная работа представляет собой перечень вопросов по тематике изученного раздела, на которые студенты отвечают письменно. Перечень контрольных вопросов и примеры задач для текущего контроля прилагается. К контрольной работе не допускается студент, имеющий задолженности, пропуски занятий, по которым студент не отчитался. Отчет за пропущенные занятия производится следующим образом: студент получает дополнительное индивидуальное домашнее задание в виде нескольких вопросов или задач для текущего контроля по разделу и сдает в письменном виде ответы на вопросы и решения задач.

7. Учебно - методические обеспечение дисциплины

7.1.Список рекомендуемой литературы по дисциплине:

Основная

7.1.1. Соболев основы электронной техники. М.: Высшая школа. 1с.

7.1.2. Физическая электроника. М.:Энергия, с.

7.1.3. Батушев приборы. М.:Высшая школа, 1с.

7.1.4. Власов и ионные приборы. М.:Связьиздат, 1с.

7.1.5. , , Леонтьев приборы. М.:Связь, 1с.

7.1.6. , , Чарыков приборы. М.: Энергоатомиздат, 19с.

7.1.7. Степаненко теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1с.

7.1.8. , Чиркин приборы. М.: Высшая школа, 1987.

7.1.9. , , Горбунов . М.: Высшая школа, 1с.

7.1.10.Степаненко микроэлектроники. М.: Советское радио, 1с.

Дополнительная

7.1.11. Виноградов приборы. - М.:Связь, 19с.

7.1.12. Забродин электроника. М.:Высшая школа, 19с.

7.1.13. Терехов по электронным приборам. - М.: Энергоатомиздат, 19с.

7.1.14. , Стафеев полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 19с.

7.1.15. , , Фролкин микроэлектроники. М.: Радио и связь, 1с.

7.1.16. , Сергиенко транзисторы. - М.:Энергия, 19с.

7.1.17. Носов .- 2 изд., перераб.- М.: Радио и связь, 19с.

7.1.18. Кацнельсон и ионные приборы. Справочник. - М.: Энергия, 1980.

7.1.19. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. / Под общ. ред. . - М.: Энергоиздат, 1с.

7.1.20.Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. / Под ред. . - М.:Радио и связь,1с.

7.1.21. и др. Полупроводниковые приборы. Справочник. - Минск.: Беларусь, 1с.

7.1.22. Петухов приборы. Транзисторы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1с.

7.2. Стенды с образцами различных типов электровакуумных, ионных и полупроводниковых приборов.

7.3. Методические указания к выполнению лабораторных работ.

7.4. Сборник задач по курсу "Физические основы электроники," составитель . Томск. 1с.

Приложение 1

Примеры тем индивидуальных заданий

1.  Электронно-лучевые трубки.

2.  Импульсные диоды.

3.  СВЧ-диоды.

4.  Лампы бегущей волны.

5.  Электронно-оптические преобразователи.

6.  Фотоэлектронные умножители.

7.  Плазменные дисплеи.

8.  Туннельные диоды.

9.  Дрейфовые транзисторы.

10.  МОП-транзисторы.

11.  Симисторы.

12.  Фототранзисторы.

13.  Светоизлучающие диоды.

14.  Составные транзисторы.

15.  Жидкокристаллические дисплеи.