Дисциплина «Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника»

1. Цели освоения дисциплины

Целью учебной дисциплины является:

в области обучения – формирование специальных знаний, умений, навыков анализа, расчета и проектирования, а также компетенций в сфере современных высокоэффективных электронных систем;

в области воспитания – научить эффективно работать индивидуально и в команде, проявлять умения и навыки, необходимые для профессионального и личностного развития;

в области развития – подготовка студентов к дальнейшему освоению новых профессиональных знаний и умений, самообучению, непрерывному профессиональному самосовершенствованию.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника» является базовой дисциплиной и относится к естественнонаучному циклу.

Дисциплине «Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника»  предшествует освоение дисциплин (ПРЕРЕКВИЗИТЫ):

«Математика»; «Физика».

Содержание разделов дисциплины «Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника»  согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ):

«Теоретические основы электротехники»; «Материалы и элементы электронной техники».

Освоение данной дисциплины служит основой для последующего изучения дисциплин: «Схемотехника», «Основы преобразовательной техники» и других.

3. Результаты освоения дисциплины

В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено на формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т. ч. в соответствии с ФГОС 3+:

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 (ОПК-1) (ПК-2, ПК-3) (ОК-1, ОК-6)	У.1.2	применять физические и химические законы для решения практических задач;	В.1.2	практического применения законов физики, химии и экологии
Р2 (ОПК-2) (ПК-4, ПК-5, ПК-6, ПК-9,  ПК-18, ПК-19 ПК-20) (ОК-10)	У.2.2	применять принципы и методы построения моделей, методы анализа, синтеза и оптимизации при создании и исследовании электронных схем.
Р4 (ОКП-5) (ОК-7) (ПК-3, ПК-6)	З4.2	характеристик и параметров полупроводниковых приборов и электровакуумных приборов.

В результате освоения дисциплины «Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:

Таблица 2

№ п/п	Результат
РД1	Применять знания основных характеристик, параметров, моделей, схем замещения электронных приборов.
РД2	Выполнять обоснованный выбор того или иного типа прибора в зависимости от области конкретного применения и условий его эксплуатации.
РД3	Выполнять обработку и анализ данных, полученных при теоретических и экспериментальных исследованиях.

Таблица 3

Составляющие результатов освоения дисциплины

Результаты осв. дисципл.	Составляющие результатов освоения дисциплины
Код	Знания	Код	Умения	Код	Владение опытом
РД1	З.1.1 З.1.2 З.1.3	основные характеристики и параметры полупроводниковых и электровакуумных приборов; физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципа действия  электронных приборов; справочный аппарат по выбору требуемой элементной базы;	У.1.1	осуществлять обоснованный выбор элементов при проектировании электронных устройств;	В.1.1 В.1.2	навыками построения схем замещения электронных приборов с учетом  конкретных условий их эксплуатации; способность работать со специальной литературой;
РД2	З.2.1 З.2.2. З.2.3	основные характеристики и параметры базовых компонентов электронных устройств; физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципа действия базовых компонентов электронных схем; справочный аппарат по выбору требуемой элементной базы;	У.2.1	выполнять простейший расчет отдельных узлов базовых электронных цепей;	В.2.1 В.2.2	основами анализа, расчета и проектирования отдельных узлов базовых устройств электронной техники; способность работать со специальной литературой;
РД3	З.3.1	методы проведения измерений и исследований в электронике;	-	-	В.3.1 В.3.2 В.3.3	методами экспериментального исследования характеристик электронных приборов и устройств; основными приемами обработки и представления экспериментальных данных; способность работать со специальной литературой.

4. Структура и содержание дисциплины

4.1. Содержание разделов дисциплины:

РАЗДЕЛ 1.        ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Кристаллическая структура полупроводников, законы распределения носителей заряда в энергетических зонах, явления переноса, электронно-дырочный переход, контактные явления  в полупроводниках, полупроводниковые диоды, биполярные транзисторы, тиристоры, полевые транзисторы с управляющим переходом, МДП-транзисторы, полупроводниковые излучатели и фотоприемники.

Лабораторные работы:

1. Изучение лабораторных стендов и овладение навыков практической работы с измерительной аппаратурой

2. Исследование статических и динамических характеристик полупроводниковых диодов и стабилитронов.

3. Исследование статических характеристик и параметров биполярных транзисторов.

4. Исследование статических характеристик и параметров полевых транзисторов.

5. Исследование статических и динамических характеристик триодного тиристора.

6. Исследование статических характеристик и параметров оптоэлектронных приборов.

РАЗДЕЛ 2.        ВАКУУМНАЯ И ПЛАЗМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Рассмотрены различные виды электронной эмиссии, физические явления и процессы в вакууме, газах, плазме. Движение заряженных частиц в вакууме и в газах под воздействием электрических и магнитных полей. Приводятся примеры практического применения электронных и плазменных процессов в электронике.

Лабораторные работы:

1. Термоэлектронная эмиссия и прохождение тока в вакууме.

2. Измерение характеристик и параметров вторичной электронной эмиссии.

3. Исследование разрядов в газе.

6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов (СРС)

Виды и формы самостоятельной работы

Самостоятельная работа студентов включает текущую СРС 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, поиск и обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме дисциплины; выполнение домашних заданий, домашних контрольных работ; опережающая самостоятельная работа; изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку; подготовка к лабораторным работам, к практическим занятиям; подготовка к контрольным работам; подготовка к защите индивидуальных домашних заданий; подготовка к экзамену и  зачету.

Творческая самостоятельная работа включает:

анализ индивидуального домашнего задания; поиск, анализ и презентация информации; выполнение расчетно-графической работы; формулирование выводов о проделанной работе.

6.3. Контроль самостоятельной работы

       Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом:

самоконтроль; контроль со стороны преподавателя.

Контроль самостоятельной работы студентов осуществляется посредством презентации результатов выполнения домашних контрольных и опережающих заданий, получения допуска к выполнению лабораторных работ, защиты индивидуальных домашних заданий и отчетов по выполненным лабораторным работам, подготовки ответов на контрольные вопросы к лабораторным работам.

6.4. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

При выполнении самостоятельной работы рекомендуется использовать:

использование рекомендуемой литературы из раздела 9 программы; материалы, размещенные на персональном сайте преподавателя.

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
Выполнение и защита лабораторных работ	РД1, РД2, РД3
Выполнение и защита ИДЗ	РД1, РД2,  РД3
Выполнение контрольных работ	РД1, РД2, РД3
Экзамен (семестр-3)	РД1, РД2, РД3

Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств):

Примеры контрольных вопросов к лабораторным работам по первому разделу дисциплины:

1. Каковы структуры биполярных транзисторов и их условные графические обозначения?        

2. Каковы функции эмиттерного и коллекторного перехода транзистора?

3. В каких режимах может работать транзистор и какова полярность включения переходов для разных режимов?

4. Какие схемы включения транзистора вы знаете? В чем заключаются основные отличия данных схем?

5. Какие транзисторы называются без дрейфовыми, какие дрейфовыми?

6. Какие условия необходимо выполнить при изготовлении транзистора для обеспечения высоких значений коэффициента передачи тока?

7.  Как работает транзистор в нормальном активном режиме?

8. Почему при включении транзистора по схеме с общей базой невозможно усиление по току?

9.  При каком условии базу транзистора называют тонкой?

10. Как связаны между собой ток коллектора, ток эмиттера и ток базы?

11. Что представляет собой коэффициент инжекции и коэффициент переноса?

Примеры контрольных вопросов к лабораторным работам по второму разделу дисциплины:

1. Что понимают под самостоятельным и несамостоятельным разрядом в газе?

2. Что представляет собой полная ВАХ газового разряда, из каких характерных участков она состоит?

3. Какие процессы наблюдаются в разрядном промежутке при увеличении напряжения между анодом и катодом ионного прибора?

4. В чем сходство и различие нормального тлеющего разряда по сравнению с аномальным разрядом?

5. Что называется напряжением зажигания и напряжением горения самостоятельного разряда? Зависят ли эти параметры от расстояния между анодом и катодом прибора?

6. Что такое коэффициент объемной ионизации и от чего зависит его величина?

7. Что представляет собой кривая Пашена? При каких условиях происходит нарушение закона Пашена?

8. Как изменится ВАХ тлеющего разряда, если поверхность электродов увеличить или уменьшить примерно в сто раз?

9. Как и почему изменяется распределение потенциала между электродами ионного прибора тлеющего разряда с ростом разрядного тока?

10. Вследствие каких причин тлеющий самостоятельный разряд переходит в дуговой?

11. В чем заключаются отличия несамостоятельного дугового разряда от самостоятельного дугового разряда? Какие процессы протекают в межэлектродном промежутке при несамостоятельном дуговом разряде? (Дать пояснения по ВАХ разряда).

12. При каких условиях несамостоятельный дуговой разряд переходит в самостоятельный разряд?

Пример индивидуального домашнего задания по первому разделу дисциплины:

ЗАДАНИЕ  №2

Определение мало сигнальных параметров и построение эквивалентных схем замещения биполярного транзистора.

I. Исходные данные:

  1.Вариант №

  2.Тип транзистора

  3.Исходный режим

II. Содержание расчетно-пояснительной записки.

  1.Дать краткую характеристику транзистора.

  2.Привести справочные параметры транзистора и дать их объяснение.

  3.Начертить в масштабе семейство входных и выходных характеристик транзистора. На ВАХ отметить область безопасной работы транзистора.

  4.Графическим способом определить h - параметры для схемы с общим эмиттером.

  5.Пересчитать h - параметры для схемы с общей базой.

  6.По определенным ранее h - параметрам найти физические параметры для схем с ОБ и ОЭ.

  7.Построить эквивалентные схемы замещения транзистора для схем с ОБ и ОЭ через h - параметры и физические параметры транзистора.

  8.Построить частотную характеристику коэффициента передачи тока эмиттера -  и тока базы - .

Пример индивидуального домашнего задания по второму разделу дисциплины:

ЗАДАНИЕ № 1 (Вариант № 4)

1. Рассчитать и построить график зависимости плотности тока термоэлектронной эмиссии от температуры для катода из тория при температурах от 2000 до 3000 К.

2. Рассчитать и построить график зависимости плотности тока термоэлектронной эмиссии для активированного катода из оксида бария на вольфраме при температурах от 1700 до 2800К.

3. Определить плотность тока термоэлектронной эмиссии с учетом внешнего электрического поля ( эффект Шоттки) для катода из цезия при напряженности электрического поля Е= 10^7 B/см  и  температуре Т=  2600 К.

4. Определить максимальную энергию электронов, покидающих поверхность пластины из вольфрама при фотоэлектронной  эмиссии, если  пластина  облучается  светом с длиной волны - 2700 ангстрем. Максимальная энергия электронов в металле до поглощения энергии светового кванта равна W = 4,5 эВ.

5. Определить время пролета электронов от катода до анода диода, если напряжение на аноде U = 150В, расстояние от катода до анода равно - 6 см. Для  расчета принять, что электроны вылетают из катода при скорости равной нулю.

6. Определить анодный ток диода цилиндрической конструкции, если анодное напряжение равно U = 160В, расстояние от катода до анода равно - 6 см, эффективная площадь  анода равна S = 5 см^2, отношение радиуса анода к радиусу катода равно -  7.

7. Какова крутизна вольтамперной характеристики диода и его внутреннее сопротивление, если при изменении анодного напряжения на dU =  60 В изменение анодного тока составляет  dI =  20 мА? 

Экзаменационный билет №

по дисциплине – Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника

1. При каких условиях возможен переход электронов из валентной зоны в зону проводимости? Какова вероятность нахождения электрона в зоне проводимости при температуре абсолютного нуля? От чего зависит концентрация носителей заряда в чистом полупроводнике? (Максимальный бал за ответ: 5 баллов).

2. Как и почему отличаются прямые и обратные ветви ВАХ германиевого и кремниевого диодов?

3. Что представляет собой коэффициент инжекции и коэффициент переноса, коэффициент передачи тока? Какова связь между этими коэффициентами и от чего зависят их величина?

4. Каковы основные параметры полевых транзисторов, и какие из них входят в мало сигнальную схему замещения? (Нарисовать схему замещения и дать пояснение). Какие параметры тиристора называют динамическими и от чего они зависят?

5. В чем заключается оптимальный режим работы фотодиода при его работе в фотогальваническом режиме? (Дать пояснение, используя ВАХ фотодиода). 

6. Что представляет собой эффект Шоттки и как выводится уравнение термоэлектронной эмиссии, учитывающие этот эффект?

7. Что представляет собой метод геометрической электронной оптики используемый  для определения траектории движения электрона в однородных электрических полях? (Представить рисунки, описывающие движение электрона в ускоряющем и тормозящем однородном поле, на основании геометрических построений написать соотношения, отражающие суть указанного метода).

8. Какие процессы протекают в разрядном промежутке при увеличении напряжения между анодом и катодом ионного прибора? Каково условия возникновения самостоятельного нормального и аномального тлеющего разряда?

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 усвоения теоретического материала (ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач, выполнение заданий 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 (экзамен) производится в конце семестра (оценивается в баллах – максимально 40 баллов), на экзамене 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:

1. Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника. Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 2014. – 208 с.

2. Вакуумная, плазменная и твердотельная электроника. Практикум. – Томск: Изд. ТПУ, 2011. – 160 с.

3. Промышленная электроника: учебник для вузов — 2-е изд.,  — Москва: Альянс, 2014. — 496 с.: ил

4. , Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 2008. – 798 с.: ил.

5. Твердотельная электроника. Практикум. – Томск: Изд. ТПУ, 2007. – 113 с.

6. Задачник по электронным приборам: учебное пособие для вузов. — 3-е изд. — Москва: Альянс, 2014. — 278 с.: ил.

Дополнительная литература:

1. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. – М.: Энергия, 1977. – 672 с.

2.  Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат. Ленигр. отд-ние, 1990. – 352 с.

3. , , Полупроводниковые приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.

4. , Полупроводниковые приборы: Учеб. Для вузов. – М.: Высш. Шк., 1987. – 479 с.

5. Физические основы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1979. – 448 с.

6. Сборник задач по курсу физические основы электроники. – Томск: Изд. ТПУ, 1998. – 40 с.

7. , Физические основы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1982. – 608 с.

8. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: - справочник./, , и др.; под. общ. ред. . – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 744 с.

9. Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник./ Под ред. . – М.: Энергоатомиздат, 1982.

10. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Лекции читаются с использованием мультимедийного оборудования. Лабораторные работы выполняются в специализированной лаборатории кафедры промышленной и медицинской электроники ИНК – ауд. № 000 корпуса 16Б ТПУ общей площадью 47,9 кв. м. Помещение оборудовано 6-ю рабочими местами, в состав каждого из которых входит:

№ п/п	Наименование (компьютерные классы, учебные лаборатории, оборудование)	Корпус, ауд., количество установок
1.	Специализированный стенд	Корпус 16б, ауд.229, 6- стендов
2.	Осциллограф GOS-620FG	10 шт.
4.	Функциональный генератор GFG-8216A	10 шт.
5.	Универсальный цифровой вольтметр В7-38	6 шт.
6.	Наборы соединительных проводников и модулей с расположенными на них электронными компонентами	6 шт.

Программа составлена на основе СУОС ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению 11.03.04 - Электроника и наноэлектроника и профилю «Промышленная электроника».

Программа одобрена на заседании кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразрушающего контроля (протокол № 12.15 от 19.06.15 г)

Автор	доцент кафедры ПМЭ ИНК
Рецензент