ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Филиал Южно-Уральского государственного университета в г. Златоусте
УТВЕРЖДАЮ | |
Декан машиностроительного | |
факультета | |
________________ | |
«____»_________________20___г. | |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины ДВ.2.03.01 Физические основы микроэлектроники
для 220700.62 Автоматизация технологических процессов и производств
форма обучения: очная
кафедра-разработчик: Технология машиностроения, станки и инструменты
Рабочая программа составлена в соответствии с ФГОС ВПО по направлению подготовки 220700.62, утвержденным приказом Минобрнауки
Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры Технология машиностроения, станки и инструменты, протокол №____ от ________________
Зав. кафедрой разработчика: д. т.н., профессор ___________________
Разработчик программы: к. т.н., доцент ________________________
Златоуст, 2011
1. Цели и задачи дисциплины.
Цели освоения дисциплины «Физические основы микроэлектроники»:
- реализация в рамках дисциплины требований квалификационной характеристики, связанной с профессиональной деятельностью выпускника по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» согласно Федеральному государственному образовательному стандарту (ФГОС), утвержденному приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 25 октября 2011 № 000;
- формирование соответствующих компетенций согласно требованиям основной образовательной программы (ООП) подготовки бакалавров по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств».
Задачи:
- приобретение обучающимися знаний в области физических основ микроэлектроники, как теоретической базы для изучения последующих дисциплин профессионального цикла;
- приобретение обучающимися навыков реализации теоретических знаний на практике в рамках выполнения лабораторных работ с применением интерактивных методов и закреплением соответствующих компетенций согласно ООП подготовки бакалавров по направлению «Автоматизация технологических процессов и производств».
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Физические основы микроэлектроники» относится к дисциплинам профессионального цикла базовой (общепрофессиональной) части.
Перечень предшествующих дисциплин, видов работ | Перечень последующих дисциплин, видов работ |
Б.2.01. Математика. Б.2.02. Физика Б.2.03. Химия В.2.01. Информатика Б.3.01.02. Инженерная графика. Б.3.07. Метрология, стандартизация и сертификация | Б.3.08. Электротехника и электроника Б.3.09. ТАУ Б.3.02.01 Оборудование автоматизированных производств В.3.06.Автоматизация технологических процессов и производств В.3.07. Основы проектирования автоматизированных систем Дипломное проектирование. |
Требования к «входным» знаниям, умениям, навыкам студента, необходимым при освоении данной дисциплины и приобретенным в результате освоения предшествующих дисциплин:
Студент должен знать:
– основные математические понятия и методы, принципы применения математики на практике.
– основные физические явления, фундаментальные понятия, законы и теории классической и современной физики.
– химию элементов и основные закономерности протекания химических реакций.
– стандартные программные средства для решения задач в области конструкторско-технологического обеспечения машиностроительных производств.
– правила оформления конструкторской документации в соответствии с ЕСКД.
– методы и средства контроля качества продукции, организацию и технологию стандартизации и сертификации продукции, правила проведения контроля, испытаний и приемки продукции;
Студент должен уметь:
– составлять уравнения прямых на плоскости, строить графики функций одного переменного.
– применять приемы и методы физики для решения конкретных, определять конкретное физическое содержание в прикладных задачах.
– применять физико-математические методы для решения задач в области обеспечения автоматизированных производств с применением стандартных программных средств.
– выполнять измерения, калибровку средств измерений;
Студент должен владеть:
– навыками решения задач из различных областей математики, практического использования математических методов и основ математического моделирования.
– навыками решения задач из различных областей физики.
– методикой выбора материала по основе анализа его физических и химических свойств для конкретного применения в производствах;
– навыками численных и экспериментальных исследований, обработки и анализа результатов.
– навыками применения стандартных программных средств в области автоматизации производств.
3.Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
а) общекультурных (ОК):
– способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
б) профессиональных (ПК):
– способностью участвовать в разработке математических и физических моделей процессов и производственных объектов (ПК-17);
– способностью выполнять работы по автоматизации технологических процессов и производств их обеспечению средствами автоматизации и управления, использовать современные методы и средства автоматизации, контроля, диагностики, испытаний и управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством (ПК-21);
– способностью разрабатывать локальные поверочные схемы и выполнять проверку и отладку систем и средств автоматизации технологических процессов, контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством, а также их ремонт (ПК-23);
– способностью выбирать технологии, инструментальные средства и средства вычислительной техники при организации процессов проектирования, изготовления, контроля и испытания продукции, средства и системы автоматизации, контроля, диагностики, испытаний, управления производством, жизненным циклом продукции и ее качеством (ПК-32);
– способностью проводить эксперименты по заданным методикам с обработкой и анализом их результатов, составлять описания выполненных исследований и подготавливать данные для разработки научных обзоров и публикаций (ПК-42);
– способностью выполнять работы по наладке, настройке, регулировке, опытной проверке, регламентному техническому, эксплуатационному обслуживанию оборудования, средств и систем автоматизации, контроля, диагностики, испытаний и управления, средств программного обеспечения, сертификационным испытаниям изделий (ПК - 48);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
– основные постулаты и положения квантовой теории;
– туннельный эффект;
– строение атома и связь периодической таблицей элементов Менделеева;
уметь:
оценивать пределы применимости классического подхода, роль и важность квантовых эффектов при описании физических процессов в элементах микроэлектроники;
владеть:
методами квантово-механического описания простейших квантовых систем, входящих в состав элементов электроники и микроэлектроники.
4.Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины – 3 зачетных единицы, 108 часов.
Вид учебной работы | Всего часов | Разделение по семестрам в часах. Номер семестра | |||
4 | |||||
Общая трудоемкость дисциплины | 108 | 108 | |||
Аудиторные занятия | 54 | 54 | |||
Лекции (Л) | 27 | 27 | |||
Практические занятия, семинары (ПЗ) | 27 | 27 | |||
Лабораторные работы (ЛР) и (или) другие виды аудиторных занятий | – | – | |||
Самостоятельная работа (СРС) · Курсовой проект · Курсовая работа · Реферат · Расчетно-графическая работа · Семестровое задание · Подготовка к экзамену, зачету · другие виды самостоятельной работы | 49 + + + | 49 + + + | |||
Контроль самостоятельной работы студента (КСР) | 5 | 5 | |||
Вид итогового контроля (ИА) (зачет, экзамен) | Зачет | Зачет | |||
Общая трудоемкость час. зач. ед. | 108 | 108 | |||
3 | 3 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1 | Основы физики вакуума, плазмы и твердого тела | Принципы использования физических эффектов в вакууме, плазме и в твердом теле в приборах и устройствах вакуумной, плазменной, твердотельной, микроволновой и оптической электроники; |
2 | Электрофизические свойства полупроводников | Классификация твёрдых тел по проводимости; основы зонной теории; электроны и дырки в кристаллической решётке полупроводника; некоторые уточнения к зонной модели; основные материалы полупроводниковой техники. |
3 | Контактные явления в полупроводниках | Неоднородный полупроводник одного типа электропроводности; неоднородный полупроводник с изменением типа электропроводности; электронно-дырочный переход; контакт металл – полупроводник; гетеропереходы. |
4 | Электронно-дырочный переход | Вольтамперная характеристика p-n перехода; инжекция неосновных носителей; диффузионная ёмкость перехода; ширина области объёмного заряда; зарядная ёмкость перехода; пробой; омический контакт; влияние рекомбинационных ловушек на образование прямого и обратного токов. |
5.2. Разделы дисциплин и виды занятий
Номер раздела, темы | Наименование разделов, тем дисциплины | Объем занятий по видам в часах | ||||||
Всего | Л | ПЗ | ЛР | СРС | КСР | ИА | ||
1 | Основы физики вакуума, плазмы и твердого тела | 6 | 4 | Устный опрос | ||||
2 | Электрофизические свойства полупроводников | 6 | 8 | 12 | 2 | Контрольная работа | ||
3 | Контактные явления в полупроводниках | 10 | 8 | 6 | Устный опрос | |||
4 | Электронно-дырочный переход | 6 | 11 | 12 | 1 | Устный опрос | ||
72 | 27 | 27 | 49 | 5 |
5.3. Лабораторные работы
Не предусмотрены учебным планом
5.2. Практические занятия
Номер занятия | Номер раздела или темы | Наименование и краткое содержание практических занятий | Характер занятий и цель | Кол-во часов |
1 | 2 | Изучение полупроводниковых силовых диодов | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 4 |
2 | 2 | Изучение полупроводниковых стабилитронов | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 4 |
3 | 3 | Изучение полупроводниковых смесительных диодов | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 4 |
4 | 3 | Изучение полупроводниковых лавинно-пролётных диодов | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 4 |
5 | 4 | Изучение полупроводниковых биполярных транзисторов | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 6 |
6 | 4 | Изучение полупроводниковых полевых транзисторов | Практическая работа для закрепления лекционного материала | 5 |
27 |
5.3. Семинары
Не предусмотрены учебным планом
5.4. Самостоятельная работа студентов
Номер раздела | Наименование и содержание разделов, вынесенных на самостоятельную работу | Вид работы | Объем работы в часах для одного студента | Список литературы (с указанием разделов, глав, страниц) | Форма контроля |
1 | Основы физики вакуума, плазмы и твердого тела | Изучение тем, не выносимых на лекции | 4 | [1], с. 45-68 . [2], с. 36-92 . | Проверка конспектов |
2 | Электрофизические свойства полупроводников | Изучение тем, не выносимых на лекции | 12 | [1], с. 112-148 . [2], с. 158-262 . | Индивидуальные беседы и консультации с преподавателем |
3 | Контактные явления в полупроводниках | Изучение тем, не выносимых на лекции | 6 | [1], с. 228-294 . [2], с. 299-367. | Проверка конспектов |
4 | Электронно-дырочный переход | Изучение тем, не выносимых на лекции | 12 | [1], с. 331-356. [2], с. 258-502 . | Итоговые семестровые зачеты |
5.5. Контроль самостоятельной работы студентов
Формы управления самостоятельной работой студента и формы контроля СРС | Кол-во часов |
Консультации по выполнению практических работ | 1 час/чел |
Контрольная изучения теоретического материала | 0,3 ч/чел |
Устный опрос по разделам 1-4 | 2 |
6. Образовательные технологии, используемые в учебном процессе данной дисциплины (рекомендации преподавателю)
6.1. Интерактивные формы обучения
Основу технологии обучения с интерактивным подходом для изучения данной технической дисциплины составляют:
1) разминки на пройденном материале (технология: «каждый подсказывает каждому или дополняет, или исправляет каждого»);
2) обучающее моделирование (технология: имитация и мини-исследование студентами элементов и узлов электронных устройств в виртуальной среде Work Bench или Multisim);
3) синтез схем электронных элементов и узлов с умышленным вводом «промахов» (неточностей, некорректностей, избыточности и тому подобное) и использование вопросов и замечаний обучающихся по ним для коррекции «промахов» (технология: «ученики в роли учителя»);
4) выполнение индивидуальных заданий на практических работах малыми группами (приобретение навыков сотрудничества, межличностного общения, выработки общего мнения, разрешения разногласий, закрепление соответствующих компетенций, выявление и формирование лидеров в группах).
При организации работы малыми группами (по 2-3 обучающихся) реализуются следующие положения:
- инструкции по выполнению заданий составляются максимально четкими (инструкции должны записываться на доске или на карточках заданий);
- группе представляется достаточно времени на выполнение задания (выверенное время, установленное при проведении «обкатки» упражнения, плюс – «премиальный» запас для групп-лидеров, успешно выполнивших задание).
6.2. Инновационные способы и методы, используемые в образовательном процессе
№ | Наименование | Краткое описание и примеры использования в темах и разделах |
1. | Использование информационных ресурсов и баз данных | Использование информационных ресурсов Интернет Электронно-библиотечная система издательства «Лань». |
2. | Применение электронных мультимедийных учебников и учебных пособий | |
3. | Ориентация содержания на лучшие отечественные аналоги образовательных программ | Примерная образовательная программа УМО АМ ФГБОУ ВПО «СТАНКИН» |
4. | Применение предпринимательских идей в содержании курса | |
5. | Использование проблемно- ориентированного междисциплинарного подхода к изучению наук | |
6. | Применение активных методов обучения, «контекстного» и «на основе опыта» | Обзор отечественных и зарубежных разработок по теме 2,4 |
7. | Использование методов, основанных на изучении практики (case studies) | Использование материалов учебной практики |
8. | Использование проектно-организованных технологий обучения работе в команде над комплексным решением практических задач | |
9. | Другие |
7. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля
Контрольные вопросы к 1 разделу
Физические эффекты в вакууме. Физические эффекты в плазме. Физические эффекты в твердом теле. Применение физических эффектов в приборах и устройствах вакуумной электроники. Применение физических эффектов в приборах и устройствах плазменной электроники. Применение физических эффектов в приборах и устройствах твердотельной электроники. Применение физических эффектов в приборах и устройствах микроволновой электроники. Применение физических эффектов в приборах и устройствах оптической электроники.Контрольные вопросы ко 2 разделу
Назовите основные специфические особенности полупроводников. Как образуются частично заполненные зоны? В каких случаях примесные атомы дают отдельные уровни и в каких случаях образуют примесную зону? Чем определяется распределение электронов по энергиям? В каких случаях можно полагать распределение электронов по энергиям экспоненциальным и почему? Напишите соотношение Эйнштейна. Какой зависимостью связаны диффузионная длина и время жизни? Что такое основные и неосновные носители? Как связаны между собой их равновесные концентрации? В каких полупроводниках концентрация неосновных носителей выше: в сильнолегированных или в слаболегированных? Что такое собственная электропроводность? Может ли примесный полупроводник обладать собственной электропроводностью?Контрольные вопросы к 3 разделу
Контрольные вопросы к 3 разделу
1. Чем определяется величина тока насыщения перехода?
2. Должен ли ток насыщения зависеть от температуры? Объясните, почему.
3. Имеется два перехода. Один из них изготовлен на сильнолегированном полупроводнике, другой на слаболегированном. Какой из них будет иметь больший ток насыщения? (Диффузионная длина и время жизни предполагаются равными.)
4. В чем разница между диффузионной и зарядной емкостью перехода?
5. Почему диффузионная и зарядная емкости перехода определяются по разному, одна через ток, а другая – через напряжение?
6. В чем различие резкого и плавного перехода?
7. Какие виды пробоя вам известны?
8. Какие требования предъявляются к невыпрямляющему (омическому) контакту?
9. Как может сказаться эффект генерации и рекомбинации носителей в переходе на виде обратной ветви вольтамперной характеристики?
10. Почему скорость генерации носителей в переходе может отличаться от скорости рекомбинации?
11. Пользуясь формулами, подсчитайте, какой вид пробоя будут иметь сплавные германиевые переходы, если считать, что концентрация в рекристаллизованной области равна 
, для следующих случаев:
электронный германий: 
; 
; 
и 
;
дырочный германий: 
; 
; 
и 
.
12. Рассчитайте максимальное значение напряженности поля в резком германиевом переходе при 
и напряжении 10 в. Рассчитайте ширину перехода для этого случая.
Контрольные вопросы и задания для проведения промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины
Физические эффекты в вакууме. Физические эффекты в плазме. Физические эффекты в твердом теле. Применение физических эффектов в приборах и устройствах вакуумной электроники. Применение физических эффектов в приборах и устройствах плазменной электроники. Применение физических эффектов в приборах и устройствах твердотельной электроники. Применение физических эффектов в приборах и устройствах микроволновой электроники. Применение физических эффектов в приборах и устройствах оптической электроники. Назовите основные специфические особенности полупроводников. Как образуются частично заполненные зоны? В каких случаях примесные атомы дают отдельные уровни и в каких случаях образуют примесную зону? Чем определяется распределение электронов по энергиям? В каких случаях можно полагать распределение электронов по энергиям экспоненциальным и почему? Напишите соотношение Эйнштейна. Какой зависимостью связаны диффузионная длина и время жизни? Что такое основные и неосновные носители? Как связаны между собой их равновесные концентрации? В каких полупроводниках концентрация неосновных носителей выше: в сильнолегированных или в слаболегированных? Что такое собственная электропроводность? Может ли примесный полупроводник обладать собственной электропроводностью? Покажите, почему первые слагаемые в выражениях имеют одинаковые знаки, а вторые слагаемые – противоположные. Пользуясь графиком, рассчитайте концентрацию неосновных носителей в Германии с удельным сопротивлением 10 ом*см, 1 ом*см и 0,1 ом*см (при комнатной температуре). Чем ограничивается величина контактной разности потенциалов? В чем заключается эффект инверсии электропроводности у поверхности? Что такое запирающий и антизапирающий слой? Как влияют заряды на поверхности полупроводника на положение энергетических зон? Нарисуйте энергетические зоны электронного и дырочного полупроводников при наличии на поверхности положительного и отрицательного заряда. Что такое барьер Шоттки? Чем определяется величина тока насыщения перехода? Должен ли ток насыщения зависеть от температуры? Объясните, почему. Имеется два перехода. Один из них изготовлен на сильнолегированном полупроводнике, другой на слаболегированном. Какой из них будет иметь больший ток насыщения? (Диффузионная длина и время жизни предполагаются равными.) В чем разница между диффузионной и зарядной емкостью перехода? Почему диффузионная и зарядная емкости перехода определяются по разному, одна через ток, а другая – через напряжение? В чем различие резкого и плавного перехода? Какие виды пробоя вам известны? Какие требования предъявляются к невыпрямляющему (омическому) контакту? Как может сказаться эффект генерации и рекомбинации носителей в переходе на виде обратной ветви вольтамперной характеристики? Почему скорость генерации носителей в переходе может отличаться от скорости рекомбинации? Пользуясь формулами, подсчитайте, какой вид пробоя будут иметь сплавные германиевые переходы, если считать, что концентрация в рекристаллизованной области равна, для следующих случаев: электронный германий: ; ; и ; дырочный германий: ; ; и . Рассчитайте максимальное значение напряженности поля в резком германиевом переходе при и напряжении 10 в. Рассчитайте ширину перехода для этого случая. 8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература (не более 3 наименований)
1. Сборник задач и упражнений по электротехнике и основам электроники [Текст] : учеб. пособие для вузов / , .- 2-е изд., перераб. - М. : Высш. шк., 20с. : ил. - ISBN -6.
2. Малышев, квантовой электроники и лазерной техники [Текст] : учеб. пособие для вузов / . - М. : Высш. шк., 20с. : ил. - Библиогр.: с. 536-539. - ISBN -5.
б) дополнительная литература:
1. Лабораторные работы по основам промышленной электроники: учеб. пособие для вузов / под ред. .- 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 19с. : ил. - ISBN -1
2. Основы электроники, радиотехники и связи: Учебное пособие для вузов / и др.; Под ред. .- М.: Горячая линия – Телеком, 2008. – 480 с.: ил.
в) отечественные и зарубежные журналы по дисциплине, имеющиеся в библиотеке
1) Радиотехника и электроника;
2) Радиотехника.
г) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. Электронно-библиотечная система издательства «Лань».
2. http://www. *****
3. http://www. *****
4. http://*****
д) методические пособия для самостоятельной работы студента, для преподавателя
1. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и доп. – М.: Энергия, 1977. – 672 с.: ил.
2. Глазенко, и основы электроники [Текст] : учеб. пособие / , .- 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 19с. : ил.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
№ ауд. | Основное оборудование, стенды, макеты, компьютерная техника, наглядные пособия и другие дидактические материалы, обеспечивающие проведение лабораторных и практических занятий, научно-исследовательской работы студентов | Основное назначение (опытное, обучающее, контролирующее) и краткая характеристика использования при изучении явлений и процессов, выполнении расчетов |
2-401, 2-402, 2-403, 2-408 | Компьютерные классы : 45 ПК от PENTIUM I до PENTIUM IV. Программа «MPLAB», программатор Phyton CHIP Prog, программа AVR-Studio | Изучение полупроводнико-вых силовых диодов Изучение полупроводнико-вых стабилитронов Изучение полупроводнико-вых смесительных диодов |
1-213 | Лаборатория «Компьютерные технологии в производстве и бизнесе»: проектор PT-LB10NTE Panasonic - 1 шт., компьютеры Intel Pentium4 2200 MGhz - 1, Celeron 2200 MGhz - 7, Duron 650 MGhz – 1; | Демонстрация учебных фильмов по разделам2,3 и 4. |
1-306 | Лаборатория «Физические основы электроники и элементы систем автоматики» : 6 универсальных лабораторных стендов c микропроцессорами (имеются встроенные в стенд компьютеры). Программа AVR-Studio, программа «MPLAB» | Изучение полупроводнико-вых лавинно-пролётных диодов Изучение полупроводнико-вых биполярных транзисторов Изучение полупроводнико-вых полевых транзисторов |
