litceysel.ru
добавить свой файл
1
Министерство образования и науки Российской Федерации



Федеральное государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Мордовский государственный университет им Н.П.Огарёва»


УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета

электронной техники, профессор И.В.Гуляев

« » 2011 г.


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ»


Рекомендуется для направления подготовки

210700-62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

по профилю «Сети связи и системы коммутации»


Квалификация (степень) выпускника

бакалавр


Рабочая программа составлена на основании ФГОС ВПО направления утверждённого

Минобрнауки РФ 22 декабря 2009 г. (рег. № 785)


Составитель рабочей программы: Шестеркина А.А., ассистент кафедры МЭ


Заведующий кафедрой МЭ

доцент В.К Ионычев


Председатель УМК факультета

электронной техники, доцент А. В. Мускатиньев


2011 г



  1. Цели и задачи учебной дисциплины:

Целью учебной дисциплины «Физические основы электроники» является изучение студентами физических эффектов и процессов лежащих в основе принципов действия полупроводниковых, электровакуумных и оптоэлектронных приборов.



  1. Место учебной дисциплины в структуре ООП:

Математический и естественно-научный цикл.

Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при изучении дисциплин «Физика», «Материалы и элементы электронной техники», «Технология материалов электронной техники».

Знания, полученные студентами после изучения дисциплины “Физические основы электроники”, используются далее при изучении дисциплины “Электроника”, «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций», «Схемотехника телекоммуникационных устройств



3. Требования к результатам освоения дисциплины

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины(модуля):


    Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

  • ознакомление с современным уровнем развития физических основ полупроводниковой электроники с учетом использования перспективных полупроводниковых материалов;

  • изучение физических процессов образования свободных носителей заряда в полупроводниках;

  • изучение физических процессов, происходящих на границе двух полупроводников, на границе металл-полупроводник и на границе диэлектрик-полупроводник.

  • изучение электрических параметров и характеристик электрических контактов и структур полупроводниковой и электровакуумной электроники.



В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать: физические явления и эффекты, определяющие принцип действия основных электронных приборов (ОК-9);

  • формулы плотности дрейфового и диффузионного токов в полупроводниках (ОК-9);

  • формулы высоты потенциальных барьеров резкого и плавного p-n-переходов (ОК-9);

  • уравнение ВАХ идеализированного p-n-перехода и влияние на нее ширины запрещенной зоны, температуры и концентрации примесей (ОК-9);

  • физический смысл основных параметров p-n-перехода (ОК-9);

  • причины инерционности p-n-переходов и полупроводниковых структур (ОК-9);

  • причины нарушения равновесного состояния в полупроводниковых структурах;

  • зонные диаграммы собственных и примесных полупроводников, p-n-перехода, контакта металл-полупроводник и простейшего гетероперехода ;

  • физические процессы в структурах с взаимодействующими p-n-переходами и в структурах металл-дилектрик-полупроводник;
  • взаимосвязь между физической реализацией полупроводниковых структур и их электрическими характеристиками и параметрами (ПК-2);


  • влияние температуры на физические процессы в структурах и их характеристики.

Уметь: находить значения электрофизических параметров полупроводниковых материалов (кремния, германия, арсенида галлия) в учебной и справочной литературе для оценки их влияния на параметры структур (ПК-14);

  • оценивать значения концентраций основных и неосновных носителей заряда полупроводников при различных концентрациях примесей и различных температурах;

  • изображать структуры с различными контактными переходами, объяснять их принцип действия и составлять электрические и математические модели этих структур (ПК-14);

  • экспериментально определять статические характеристики и параметры различных структур (ПК-14).



4. Содержание учебной дисциплины (модуля). Объем дисциплины и виды учебных занятий

Вид учебной работы

Всего часов

Cеместры

3

Аудиторные занятия (всего)

54

54

В том числе:

-




Лекции

18

18

Практические занятия (ПЗ)

18

18

Семинары (С)

-




Лабораторные работы (ЛР)

18

18

Самостоятельная работа (всего)

54

54

В том числе:

-




Курсовой проект (работа)

-




Расчетно-графические работы

-




Реферат

-




Контрольная работа

36

36

Самостоятельная подготовка

18

18




-




Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)

зачет

зачет

Общая трудоемкость час

зач. ед.

108

108

3

3



5. Содержание дисциплины

5.1 Содержание разделов учебной дисциплины


п/п

Наименование раздела дисциплины

Содержание раздела

1

Введение

Смысл термина «электроника». Области электроники. Цели и задачи дисциплины. Краткий исторический очерк развития электронных приборов.


2

Введение в физику полупроводников

Энергетический спектр свободного электрона в классической и квантовой физике. Энергетический спектр атомов и молекул. Энергетический спектр электронов в кристалле.

Зона проводимости, валентная зона, зона запрещенных значений энергии. Число состояний в зонах. Эффективная масса носителей заряда. Поведение электронов в полностью заполненной зоне. Дырки в полупроводниках. Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории.


3

Концентрация носителей заряда в полупроводниках

Плотность квантовых состояний в зонах. Вероятность заполнения энергетических уровней в зонах. Функции Ферми-Дирака и Максвелла-Больцмана. Уровень Ферми.

Концентрация носителей заряда и энергетическая диаграмма собственного полупроводника. Электроны и дырки. Донорные и акцепторные примеси в полупроводниках. Условие электрической нейтральности. Закон действующих масс в невырожденных полупроводниках. Концентрация носителей заряда в невырожденных полупроводниках.

Зависимость концентрации носителей заряда и уровня Ферми от концентрации примесей и температуры. Вырожденные полупроводники.

Генерация и рекомбинация носителей заряда в полупроводниках. Неравновесные носители заряда. Механизмы рекомбинации. Межзонная рекомбинация и рекомбинация через глубокие уровни. Излучательная рекомбинация. Оже-рекомбинация. Поверхностная рекомбинация.


Время жизни неравновесных носителей заряда.


4

Кинетика носителей заряда в полупроводниках

Движение носителей заряда в электрическом поле. Дрейфовая скорость и подвижность носителей заряда. Плотность дрейфового тока. Удельная проводимость.

Механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводниках. Зависимость подвижности от типа носителей заряда, температуры и материала.

Диффузионное движение носителей заряда в полупроводниках. Плотность диффузионного тока. Связь коэффициента диффузии и подвижности.

Выражение для полного тока носителей заряда в полупроводниках.

Поведение полупроводников в сильных электрических полях. Насыщение дрейфовой скорости. Эффект Ганна. Ударная ионизация в полупроводниках. Туннельные явления в полупроводниках.


5

Термоэлектрические и гальваномагнитные явления в полупроводниках

Эффекты Зеебека, Пелтье и Томсона. Эффект Холла. Магниторезистивный эффект.

6

Фотоэлектрические явления в полупроводниках

Активное и неактивное поглощение света в полупроводниках. Закон Бугера-Ламберта. Спектры поглощения света в полупроводниках.

Фотопроводимость. Фотовольтаические эффекты в полупроводниках.


7

Физические процессы в идеализированном гомогенном p-n-переходе



Электронно-дырочный переход в состоянии термодинамического равновесия. Высота потенциального барьера p-n-перехода и ширина области объемного заряда. Их зависимость от концентрации легирующих примесей и температуры.

Изменение параметров p-n-перехода при приложении внешнего напряжения. Инжекция и экстракция носителей заряда в p-n-переходах.


Вольтамперная характеристика (ВАХ) идеализированного p-n-перехода. Температурная зависимость тока идеализированного p-n-перехода.

Переходные процессы в p-n-переходах при включении, выключении и переключении с прямого направления на обратное. P-n-переход на переменном напряжении. Дифференциальное сопротивление на низкой частоте. Барьерная и диффузионная емкости. Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном напряжении низкой частоты. Гетеропереходы. Энергетическая диаграмма.

Контакт металла с полупроводником. Диод Шоттки. Омический контакт.


8

Отличия реальных p-n-переходов от идеализированного

Влияние генерационно-рекомбинационных процессов в области объемного заряда на ВАХ p-n-перехода. Влияние ширины базовых областей и омических контактов. Влияние высокого уровня инжекции в базовых областях. Компоненты обратного тока реальных p-n-переходов.

Виды пробоя p-n-перехода и их отличительные признаки. Лавинный пробой и умножение носителей заряда в p-n-переходах. Микроплазменный пробой реальных p-n-переходов

9

Физические процессы в структуре с двумя взаимодействующими переходами

Взаимодействующие переходы – основа биполярного транзистора. Схемы включения биполярного транзистора. Физические процессы в транзисторе в схеме с общей базой. Коэффициент инжекции, коэффициент переноса, коэффициент усиления по току.

Зависимость коэффициента усиления по току от напряжения и тока.


10

Физические основы электровакуумных и газоразрядных приборов

Виды эмиссии из твердых тел: термоэлектронная, электростатическая, фотоэлектронная. Управление потоком электронов в вакуумных лампах. Управление положением электронного луча в электронно-лучевых приборах. Физические процессы в газоразрядных приборах.



11

Заключение

Перспективы миниатюризации и быстродействия электронных приборов. Наноэлектроника. Оптоэлектроника и криоэлектроника





5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами

№ п/п

Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин

1

2

3

4

5

6

7

8

9



10

11

1

Электроника




+

+

+




+

+

+

+


+

+

2

Электропитание устройств и систем телекоммуникаций







+

+

+





+

+

+


+




3

Схемотехника телекоммуникационных устройств







+




+




+

+

+


+

+


5.3 Разделы дисциплины и виды занятий


№ п/п

Наименование раздела дисциплины

Лекц.

Практ.

зан.

Лаб.

зан.

Семин

СРС

Все-го

час.

1.

Введение

0,5













0,5

2.

Введение в физику полупроводников

1



4





2

7

3.

Концентрация носителей заряда в полупроводниках


3

6

4




2

15

4.

Кинетика носителей заряда в полупроводниках


2

4







2

8

5.

Термоэлектрические и гальваномагнитные явления в полупроводниках

1




2




2

5

6.

Фотоэлектрические явления в полупроводниках

1

2

4




2

9

7.

Физические процессы в идеализированном гомогенном p-n-переходе

4

6

4




2

16

8.

Отличия реальных p-n-переходов от идеализированного


2










2

4

9.

Физические процессы в структуре с двумя взаимодействующими переходами

2










2

4

10.

Физические основы электровакуумных

и газоразрядных приборов


2










2

4

11.

Заключение


0,5













0,5



6. Лабораторный практикум

№ п/п

№ раздела дисциплины

Наименование лабораторных работ

Трудо-емкость

(час.)

1.

2

Определение ширины запрещенной зоны полупроводников.

4

2.


3

Определение диффузионной длины неосновных носителей заряда методом подвижного светового зонда

2

3.

5

Определение концентрации основных носителей заряда и подвижности с помощью эффекта Холла

2

4.

3

Измерение времени жизни неосновных носителей заряда методом Лэкса

2

5.

6

Изучение оптического поглощения в полупроводниках

4

6.

7

Емкостные свойства p-n-перехода

4


7. Практические занятия (семинары)

№ п/п

№ раздела дисциплины

Тематика практических занятий (семинаров)

Трудо-емкость

(час.)

1.

3

Вероятность заполнения энергетических уровней

2

2.

3

Концентрация носителей заряда в невырожденных полупроводниках

2


3.

3

Время жизни неравновесных носителей заряда

2

4.

4

Удельная проводимость

полупроводников

2

5.

4

Токи в полупроводниках

2

6.

6

Поглощения света в полупроводниках

2

7.

7

Высота потенциального барьера p-n-перехода и ширина области объемного заряда.

2

8.

7

Вольтамперная характеристика

идеального диода

2

9.

7

Барьерная и диффузионная емкости

2


8. Примерная тематика курсовых проектов (работ) нет .

9. Учебно-методическое и информационное обеспечение учебной дисциплины:

а) основная литература

  1. Шалимова К.В. Физика полупроводников. Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1983. – 392с.

  2. Электронные приборы. Учебник для вузов. Под ред. Г.Г. Шишкина. - М.: Энергоатомиздат, 1989. – 489с.
  3. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1979. – 448с.


  4. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. Учебное пособие для вузов – М.: Советское радио, - 1970. – 592с.

  5. Терехов В.А. Задачник по электронным приборам. – М.: «Энергоатомиздат», - 1983. – 139 с.


б) дополнительная литература

  1. Фридрихов С.А., Мовнин С.Н. Физические основы электронной техники. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1982. – 608с.

  2. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1975. – 296с.

  3. Епифанов Г.Н. Физические основы микроэлектроники. Учебное пособие для вузов. – М.: Советское радио, 1971. – 376с.

  4. Россадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1991.- 352с.


в) программное обеспечение и Интернет- ресурсы_________________________________

Описание лабораторных работ в соответствии с п.6 лабораторного практикума

10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:

Лаборатория для выполнения лабораторных работ.


11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:

Изучение дисциплины «Физические основы электроники» рассчитано на один семестр. Конспект лекций дисциплины должен содержать весь материал, необходимый для изучения. Материал конспектов состоит из разделов (см. п. 5.1.).

После изучения каждого раздела конспекта лекций следует ответить на контрольные вопросы, что позволит студенту оценить степень усвоения материала.

Выполнению лабораторных работ должно предшествовать изучение основных теоретических положений по конспекту лекций, ознакомление с объемом лабораторного задания и методическими указаниями по описанию соответствующей лабораторной работы.

Практические занятия проводятся по материалам лекционной программы. На практических занятиях студенты должны научиться решать задачи, близкие по содержанию к контрольным работам.


Разработчики:

ГОУВПО «МГУ им. Н.П.Огарева» ассистент А.А. Шестеркина

Эксперты:

ГОУВПО «МГУ им. Н.П.Огарева»

зам. декана по учебной работе ФЭТ, зав каф. МЭ к.ф.-м.н. доц. В.К. Ионычев

ГОУВПО «МГУ им. Н.П.Огарева»

зав. кафедрой СССК ФЭТ, к.т.н., доцент. В.В. Никулин