1. Цели освоения модуля (дисциплины)
В области обучения – приобретение знаний, умений и навыков, обеспечивающих достижение целей Ц1, Ц2 основной образовательной программы 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника»:
- Четкое представление о тенденциях развития современной электроники, проблемных областях и уровне исследований в передовых областях электроники, а также основных сферах применения современной электронной техники. Знание проблем современной силовой электроники, высоковольтной импульсной техники, плазменных и электроразрядных технологий, микропроцессорной техники, микро - и наноэлектроники, химических источников тока.
- Способность применять на практике полученные знания: самостоятельно находить и решать проблемы в области электроники наноэлектроники.
- Навыки анализа научно-технической информации и подготовки научно-технических текстов (аналитических обзоров, отчетов, научных статей) по направлению «электроника и наноэлектроника».
- Навыки публичных выступлений и способность к участию в дискуссии по теме исследований.
В области воспитания – развитие навыков эффективной профессиональной работы как индивидуально, так и в командах, включая интернациональные.
В области развития – подготовка обучаемых к дальнейшему освоению новых профессиональных знаний и умений, самообучению и непрерывному профессиональному самосовершенствованию.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к базовой части модуля общепрофессиональных дисциплин магистров по направлению 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» реализуемого в ТПУ. Для успешного освоения дисциплины требуются базовые знания в области физики, электротехники и электроники. Пререквизитами являются следующие дисциплины.
- Философские и методологические проблемы науки и техники
Содержание дисциплины согласовано со следующими дисциплинами изучаемыми параллельно (кореквизиты).
- Научно-исследовательская работа в семестре.
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП, освоение дисциплины «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники» направлено на формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в соответствии с ФГОС.
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной дисциплины
Результаты обучения (компетенции из ФГОС) | Составляющие результатов обучения | |||||
Код | Знания | Код | Умения | Код | Владение опытом | |
Р1 (ПК-1, ПК-3) | З1.1 | основные законы естественнонаучных и профессиональных дисциплин в области физических основ электронной техники и схемотехники, электрофизических технологий. | У1.1 | определять, систематизировать и получать необходимые данные в сфере профессиональной деятельности с использованием современных информационных средств и методов | В1.1 | Навыками работы в научном коллективе |
Р2 (ПК-6, ПК-7) | З2.1 | современное состояние, теоретические и экспериментальные работы в профильной области, явления и методы исследований | У2.1 | анализировать и обобщать научно - техническую информацию в профессиональной деятельности, выделять наиболее перспективные направления исследований в области электроники и наноэлектроники. | В2.1 | навыками самостоятельной научно-исследовательской деятельности, требующей широкого образования в соответствующем направлении |
Р3 (ОК-3, ОПК-4) | З3.1 З3.2 | языковые формулы официальных документов; основные грамматические явления, характерные для профессиональной речи; | У3.1 У3.2 | вести дискуссию и полемику; Самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности новые знания и умения в своей предметной области | В3.1 | Навыками ведения дискуссии. |
В результате освоения дисциплины «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины (модуля)
№ п/п | Результат |
РД1 | Самостоятельно анализировать и оценивать перспективы развития избранных отраслей электроники. |
РД2 | Формулировать и решать задачи научного исследования в соответствии с тенденциями развития электроники и наноэлектроники. Самостоятельно выбирать теоретические и экспериментальные методы решения поставленных задач. |
РД3 | Выполнять обработку и анализ научно-технической информации. |
РД4 | Представлять и защищать результаты научной и инженерной деятельности. |
4. Структура и содержание дисциплины
Раздел 1. Наноэлектроника. Оптическая и квантовая электроника
Развитие современной электроники. Перспективы развития силовой электроники. Наноэлектроника.
Виды учебной деятельности:
Лекции:
Развитие современной электроники
История развития полупроводниковых приборов. Проблемы миниатюризации электронных устройств и закон Мура. Современные технологии производства микросхем. Нанотехнологии в производстве электронных схем. Наноэлектроника.
Перспективы развития силовой электроники. Развитие оптоэлектроники и СВЧ-техники. Сферы применения современной электроники. Возобновляемая энергетика и энергосбережение. Плазменные и электронно-лучевые технологии. Сотовая связь и радиолокация. Электронное приборостроение для ключевых отраслей экономики. Электроника для космических применений.
Наноэлектроника
Технологии производства микросхем. Фотолитография. Эпитаксия. Поверхность и ее свойства. Межфазные границы. Квантовые эффекты и проблемы при переходе в нанометровый диапазон размеров. Квантовые точки (0-мерные объекты). Одномерные объекты (нанотрубки и нанопроволочки). Графен и его свойства. Перспективы применения нанообъектов при создании устройств электронной техники. Молекулярная электроника. Спинтроника. Проблемы создания наноэлектронных устройств и современное состояние наноэлектроники.
Практические занятия:
Семинарское занятие «Оптические и лазерные технологии».
Семинарское занятие «Технологии производства нанодисперсных порошков и их применение в электронной технике». Учебная экскурсия.
Раздел 2. Силовая электроника
Развитие и перспективные применения силовой электроники. Элементная база силовой электроники
Виды учебной деятельности:
Лекции:
Развитие и перспективные применения силовой электроники.
Роль силовой электроники в современной промышленности. Тенденции развития силовой электроники: унификация элементной базы и конструкций силовых преобразователей. Проблемы конструирования современных силовых преобразователей. Перспективные применения силовой электроники. Системы электропривода. Преобразователи для питания синхронных и асинхронных двигателей. Частотные регуляторы в промышленности. Типовые схемы частотных регуляторов: преобразователи со звеном постоянного тока и преобразователи с непосредственной связью. Матричные преобразователи. Источники питания для систем освещения. Типы осветительных приборов. Системы питания люминисцентных ламп (электронный балласт). Силовые преобразователи в системах передачи энергии. Линии электропередач постоянного тока (HVDC) и высоковольтные тиристорные преобразователи (инверторы и выпрямители) для HVDC – систем.
Элементная база силовой электроники
Развитие приборов силовой электроники. Однооперационный (SCR) и запираемый (GTO) тиристоры. Тиристоры с коммутацией по цепи управления (GCT и IGCT). Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). Основные характеристики и поколения MOSFET. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Поколения IGBT. Материалы и технологии силового приборостроения. Силовые приборы на основе карбида кремния. Современные силовые модули. Технологии, применяемые при создании силовых модулей (низкотемпературное спекание). Интеллектуальные силовые модули и уровни гибридной системной интеграции систем питания на основе интеллектуальных модулей. Драйверы для управления силовыми IGBT и MOSFET. Цепи формирования траектории переключения. Тепловые режимы силовых электронных приборов.
Практические занятия:
Семинарское занятие «Электронное приборостроение для космической отрасли». Учебная экскурсия.
Семинарское занятие «Актуальные проблемы собственного научного исследования»
Раздел 3. Высоковольтная импульсная техника и СВЧ электроника
Высоковольтная импульсная техника. Электроразрядные и плазменные технологии.
Виды учебной деятельности:
Лекции:
Высоковольтная импульсная техника
Основные определения. Параметры импульсов напряжения. Применение высоковольтной импульсной техники в промышленности. Принципы построения генераторов высоковольтных импульсов. Индуктивные и емкостные накопители энергии. Основные типы коммутаторов, применяемые в генераторах высоковольтных импульсов. Управляемые и неуправляемые разрядники. Водородные тиратроны. Полупроводниковые приборы: транзисторы, тиристоры. Особенности применения полупроводниковых приборов в импульсном режиме работы. Реверсивно включаемые динисторы. Магнитные коммутаторы (дроссели насыщения). Конструктивные особенности емкостных и индуктивных накопителей энергии. Схемы высоковольтных генераторов: генератор Аркадьева-Маркса, генераторы на отрезках длинных линий, полупроводниковые генераторы, генераторы с магнитной компрессией импульсов.
Электроразрядные и плазменные технологии.
Электрический разряд и плазма. Элементарные процессы в плазме электрических разрядов. Электронная эмиссия. Лавинный и стримерный механизмы электрического разряда в газе. Пробой. Закон Пашена. Типы электрических разрядов. Разряды при пониженном и атмосферном давлении. Тлеющий разряд. Дуговой разряд. Разряды в резконеоднородном поле. Коронный разряд. Применения электрических разрядов в промышленности. Термическое и химическое действие электрических разрядов. Генерация сильных окислителей в электрических разрядах. Устройство озонатора. Системы очистки воздуха. Электрофильтры. Обработка поверхностей: нанесение пленок, травление и очистка. Электроэрозионная обработка металлов. Электрический разряд в системах очистки воды.
Практические занятия:
Семинарское занятие «СВЧ-электроника» - Учебная экскурсия.
Семинарское занятие «Электроразрядные и пучково-плазменные технологии»
Раздел 4. Возобновляемая энергетика и химические источники тока
Возобновляемая энергетика. Химические источники тока.
Виды учебной деятельности:
Лекции:
Возобновляемая энергетика
Определение возобновляемой энергетики. Достоинства и недостатки систем возобновляемой энергетики. Перспективы использования систем распределенной и возобновляемой энергетики и ее состояние в России и мире. Солнечная энергетика. Конструкция солнечной панели. Развитие технологии солнечных элементов. Схемы включения солнечных панелей. Проблемы конструирования преобразователей для солнечных батарей. Ветроэнергетические установки: принцип работы и основные элементы. Конструкция горизонтально-осевой ВЭУ. Генераторы, применяемые в составе ВЭУ. Принцип действия и конструкция топливного элемента. Преобразователи для топливных элементов.
Химические источники тока
Проблемы питания портативных и бортовых электронных приборов. Химические источники тока (ХИТ): батареи и аккумуляторы. Принцип действия ХИТ. Окислительно-восстановительные реакции. Медно-цинковый аккумулятор. Основные параметры аккумуляторных батарей. Типы аккумуляторов. Свинцово-кислотные аккумуляторы. Никель-кадмиевые и никель-металл гидридные аккумуляторы. Литий-ионные аккумуляторы: проблемы и перспективы развития литий-ионных батарей. Перспективные типы аккумуляторов: проточные аккумуляторы, серно-натриевые аккумуляторы. Сферы применения аккумуляторных батарей: портативные системы, накопители энергии и электромобили.
Практические занятия:
Семинарское занятие «Накопители электрической энергии»
Семинарское занятие «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники».
5. Образовательные технологии
При изучении дисциплины «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники» используются следующие образовательные технологии.
Таблица 3. Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО Методы | Лекц. | Лаб. раб. | Пр. зан./ сем., | Тр.*, Мк** | СРС | К. пр.*** |
IT-методы | + | + | ||||
Работа в команде | + | |||||
Case-study | + | + | ||||
Игра | ||||||
Методы проблемного обучения | + | + | ||||
Обучение на основе опыта | + | |||||
Опережающая самостоятельная работа | + | |||||
Проектный метод | ||||||
Поисковый метод | + | + | ||||
Исследовательский метод | + | + | ||||
Другие методы |
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов (СРС)
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений и включает:
- работа с лекционным материалом; работа с электронными ресурсами в системе LMS Moodle ТПУ анализ литературы и электронных источников по индивидуально заданной проблеме (в случае недостаточного усвоения материала, а также для студентов, пропустивших аудиторные занятия по какой-либо теме); опережающая самостоятельная работа при подготовке к практическим занятиям; подготовка к контрольным работам и зачету.
Творческая самостоятельная работа включает:
- поиск, анализ, структурирование и презентацию информации; исследовательскую работу и участие в научных студенческих конференциях.
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
Темы индивидуальных заданий
Студентам предлагаются темы индивидуальных заданий (примеры приведены ниже). Студенты также могут самостоятельно выбрать тему задания, согласовав её с преподавателем.
Импульсные ускорители электронов и их применение Обеззараживание сред электрическим полем Генераторы озона с импульсным питанием Современные магнитные материалы для силовой электроники Силовые электронные приборы на основе карбида кремния Проблемы импортозамещения в отечественной силовой электронике Проблемы электромагнитной совместимости источников питания Фемтосекундные лазеры и их применение Полупроводниковые лазерные диоды и их применение Современные технологии производства дисплеев (плазменные дисплеи, ЖК, LED, OLED и пр.) Сотовые сети и стандарты сотовой связи. Микро(нано)электромеханические системы (MEMS, NEMS) Биоэлектроника и биосенсоры Методы получения и применение нанотрубок Графен и его применения Экологические проблемы электроники (воздействие предприятий электронной промышленности на окружающую среду).Внеаудиторная работа студентов по дисциплине заключается в:
- самостоятельном изучении материала теоретических занятий; подготовке к семинарским занятиям; подготовке к контрольным работам (контрольные опросы проводятся систематически в течение семестра); выполнению дополнительных заданий за нарушение графика работы, пропуски занятий. Подготовке реферата (аналитического обзора по выбранной теме). Для закрепления теоретического материала, выполнения индивидуальных заданий по дисциплине во внеучебное время студентам предоставляется возможность пользования библиотекой ТПУ, литературой и компьютерами кафедры. Студенты имеют возможность получить консультации по вопросам дисциплины как у ведущего лектора, так и у других сотрудников кафедры ПМЭ.
Темы, выносимые на самостоятельную проработку
- Электронно-лучевая литография в производстве микросхем Электрический разряд в газах и жидкостях Емкостные и индуктивные накопители энергии Полупроводниковые лазеры Электронные системы гибридных автомобилей и электромобилей.
6.3 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей. Самоконтроль предусматривает перекрестное рецензирование индивидуальных заданий студентами, качество рецензирования оценивается преподавателем.
При выполнении самостоятельной работы рекомендуется использовать
- материалы, размещенные на персональном сайте преподавателя http://portal. tpu. ru:7777/SHARED/k/KORNEV Ресурсы в LMS Moodle
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества
освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия | Результаты обучения по дисциплине |
Контрольные работы | РД1, РД2 |
Выступление с докладом по теме исследования | РД2, РД3, РД4 |
Подготовка индивидуального задания (аналитического обзора) | РД2, РД3, РД4 |
Зачет | РД1, РД2, РД4 |
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств).
Вопросы для самоконтроля
Поколения полупроводниковых приборов. Современные технологии производства микросхем. Материалы и технологии производства микросхем по 65-нм технологии. Объясните смысл закона Мура (“The Moore’s law”). Объясните термин «Больше чем Мур» (more than Moore) Виды нанотрубок и технологии их производства. Производство озона в электрического разряде. Схемы озонаторов барьерного и импульсного коронного разряда Принцип действия и области применения электростатических фильтров. Силовые преобразователи в системах питания электродвигателей. В чем состоят преимущества частотно-регулируемого электропривода? Преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Преобразователи частоты с непосредственной связью. Матричный преобразователь. Схемы питания люминисцентных ламп («электронный балласт»). В чем преимущество схем электронного балласта? Тиристоры с коммутацией по цепи управления (GCT, IGCT), области применения. Развитие технологии солнечных элементов. Сформулируйте закон Свансона. Принцип действия химического источника тока (ХИТ). Виды ХИТов Перечислите основные виды аккумуляторов и сферы их применения. Принцип действия и устройство литий-ионных аккумуляторов. Топливные элементы (устройство и принцип действия) Уровни системной интеграции современного силового преобразователя. Способы уменьшения влияния коммутационных перенапряжений в силовых преобразователях.Примеры зачетных заданий
Проведите сравнение параметров и областей применения основных классов силовых переключающих приборов: транзисторов (MOSFET, IGBT) тиристоров (SCR, GTO, GCT, IGCT) Каковы реальные и ожидаемые применения нановолокон? Приведите две базовые схемы построения генераторов высоковольтных импульсов. Перечислите преимущества и недостатки каждой из схем. Что такое возобновляемая энергетика? Перечислите основные виды возобновляемых источников энергии. Современное состояние систем нетрадиционной возобновляемой энергетики в мире и России. В чем причины медленного распространения систем возобновляемой энергетики? Какие полупроводниковые приборы применяются в генераторах высоковольтных импульсов? Проблемы, возникающие при последовательном включении силовых полупроводниковых приборов. Принцип действия магнитного ключа (дросселя насыщения). Приведите пример схемы высоковольтного генератора импульсов с применением дросселей насыщения. Опишите принцип действия и устройство проточных редокс-аккумуляторов.8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Положением о проведении текущего оценивания и промежуточной аттестации в ТПУ» в действующей редакции.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
- текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала: ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (выполнение индивидуальных заданий, решение проблем и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах, максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 33 баллов); промежуточная аттестация (зачет) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на зачете студент должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
Наноэлектроника. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний., 2012. – 349 с. Rashid M. Power electronics handbook. Elsevier. 2011. – 1390 p. Аккумуляторы. – М.: ИП РадиоСофт, 2014. – 192 с. Fridman A. Plasma Chemistry. Cambridge University Press. 2012. –1022 p. Wolf E. Nanophysics of Solar and Renewable Energy / E. L. Wolf. — Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012. — 258 p. Nanoelectronics and Information Technology. Advanced Electronic Materials and Novel Devices / Edited by R. Waser. — 3rd ed. — Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, 2012. — 1040 p. Pollet B., Staffell I., Shang J. Current status of hybrid, battery and fuel cell electric vehicles: From electrochemistry to market prospects. Electrochimica Acta. No. 84. 2012. P. 235-249. Cho J., Jeong S., Kim mercial and research battery technologies for electrical energy storage applications. Progress in Energy and Combustion Science. No. 48. 2015. P. 84-101 Kim J., Son B. et al. A review of lithium and non-lithium based solid state batteries. Journal of power sources. No. 282. 2015. P. 299-322.Дополнительная литература:
Силовая электроника: от простого к сложному. – М.:СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с. Handbook of Nanoscience, Engineering and Technology / edited by W. A. Goddard, D. W. Brenner, S. E. Lyshevski, G. J. Iafrate. —Second Edition. New York: CRC Press, 2007. – 1507 p. Abu-Rub R., Malinowski M., Al-Haddad K. Power electronics for Renewable Energy Systems, Transportation and Industrial Applications. Wiley. 2014 – 826 p. Rosencher E., Winter B. Optoelectronics. Cambridge University Press. 2002. – 725 p. Solar Photovoltaic Energy. Technology Roadmap. International energy agency // www. iea. org/publications/freepublications/publication/technology-roadmap-solar-photovoltaic-energy---2014-edition. html Emadi A., Williamson S.., Khaligh A. Power electronics Intensive Solutions for Advanced Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicular Power Systems // IEEE transactions of power electronics. Vol.21. No.2. 2006. Кристиан Гебл Технологии низкотемпературного спекания в силовых модулях. Компоненты и технологии №7. 2009. С. 92-94. роблемы проектирования IGBT-инверторов: перенапряжения и снабберы. Компоненты и технологии №5. 2008. C. 98-103. Jain S. and Agarwal, A single-stage grid connected inverter topology for solar PV systems with maximum power point tracking. IEEE transactions on Power Electronics, Vol.22. No 5. 2007. P. 1928-1940.Internet-ресурсы:
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
№ п/п | Наименование (компьютерные классы, учебные лаборатории, оборудование) | Корпус, ауд., количество установок |
1 | Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием | Корпус 16в, ауд. 318 |
В ознакомительных целях при изучении основных разделов дисциплины используется оборудование лабораторий кафедры ПМЭ ИНК (силовой электроники и преобразовательной техники, микропроцессорных устройств, квантовой электроники, электрических цепей, ультразвуковой техники), а также лаборатории 12 ИФВТ ТПУ.
Программа составлена на основе СУОС ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» и профилю «Электронные системы контроля, управления, диагностики в технике и медицине».
Программа одобрена на заседании кафедры
промышленной и медицинской электроники
Института неразрушающего контроля
(протокол № 12.15 от « 19 » 06 2015 г.).
Автор: |
Рецензент:
