физ. основы электроники - Владивостокский государственный

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Рабочая программа учебной дисциплины
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ГОУ ВПО «ВЛАДИВОСТОКСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА»
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Рабочая программа учебной дисциплины
по направлениям подготовки
210400.62 Радиотехника. Средства радиоэлектронной борьбы
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2014
ББК 22.3
Д 71
Рабочая программа учебной дисциплины 3504 «Физические основы
электроники» составлена в соответствии с требованиями ООП:
210400.62 Радиотехника на базе ФГОС- 3 ВПО.
Составитель: Доценко В.А., к.т.н., доцент кафедры электроники.
Утверждена на заседании кафедры от 16.02.2011 г., протокол № 5,
редакция 2014 г. (заседание кафедры от 22.04.2014 г., протокол №7).
Рекомендована к изданию учебно-методической комиссией Института
информатики, инноваций и бизнес-систем ВГУЭС.
© Издательство Владивостокского
государственного университета
экономики и сервиса, 2014
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина “Физические основы электроники” базируется в
основном на знании физики и математики в объеме программы
средней школы и вузовских курсов физики и высшей математики.
В частности, для изучения дисциплины необходимо общее
знакомство с законами Ома, Фарадея и основами квантовой
механики, с законом сохранения энергии. Из курса высшей
математики необходимо знание разделов: «Дифференциальное и
интегральное исчисления», «Дифференциальные уравнения».
Знания, полученные при изучении дисциплины «Физические
основы электроники» используются в последующих дисциплинах:
«Метрология и радиоизмерения», «Электроника и
микроэлектроника», «Радиоматериалы и радиокомпоненты», в
ряде прикладных радиоэлектронных дисциплин и в практической
деятельности инженера.
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.1 Цели освоения учебной дисциплины
Целями
освоения
учебной
дисциплины
являются
формирование у студентов необходимых знаний основных
законов физической теории материалов, методов анализа их
электрических, магнитных, диэлектрических свойств.
1.2 Место учебной дисциплины в структуре ООП (связь
с другими дисциплинами)
Место дисциплины в структуре основной образовательной
программы (ООП) ВПО
ООП
210400.62
Радиотехника.
Средства
радиоэлектронной
борьбы
Форма
обучен
ия
ОФО
Блок
Б.2 В.05
Трудое
мкость
(З.Е.)
Форма
промежут
.
контроля
2
Зачет
Дисциплина базируется на компетенциях, сформированных на
предыдущем уровне образования:
математика, физика, химия, биология, русский язык (средняя
школа)…
При освоении данной дисциплины компетенции одновременно
формируются следующими дисциплинами ООП:
физика, информатика, математика.
Освоение данной дисциплины необходимо обучающемуся для
успешного
освоения
следующих
дисциплин
(модулей),
прохождения практик ООП по данному направлению подготовки:
электроника, радиоавтоматика, радиотехнические цепи и
сигналы, схемотехника аналоговых электронных устройств,
физические основы наноэлектроники.
1.3 Компетенции обучающегося, формируемые в
результате освоения учебной дисциплины
В результате освоения дисциплины у обучающегося должны быть
сформированы компетенции:
Результаты освоения дисциплины (формируемые компетенции и
ЗУВ)
ООП
Вид
компетенций
Общекультурные
210400.62
Радиотехника. Средства
радиоэлектронной
борьбы
Профессиональн
ые
Компетенции
ОК-10 способностью
использовать основные
законы
естественнонаучных
дисциплин в
профессиональной
деятельности,
применять методы
математического
анализа и
моделирования,
теоретического и
экспериментального
исследования
ПК-1 способностью
представлять
адекватную
современному уровню
знаний научную
картину мира на
основе знания
основных положений,
законов и методов
естественных наук и
математики
ПК-2 способностью
выявлять
естественнонаучную
сущность проблем,
возникающих в ходе
профессиональной
деятельности,
привлекать для их
решения
соответствующий
физикоматематический
аппарат
В результате освоения дисциплины у обучающегося должны быть
сформированы знания, умения, владения:
Результаты освоения дисциплины (формируемые компетенции и
ЗУВ)
ООП
210400.62
Радиотехника. Средства
радиоэлектронной
борьбы
Коды
компетенц
ий
Знания, Умения, Владение
Знания:
ОК-10
Владен
ия:
фундаментальные
законы природы и
основные
физические законы
в области
механики,
термодинамики,
электричества и
магнетизма,
оптики и атомной
физики
навыками
практического
Знания:
ПК-1
Умения
:
Владен
ия:
Умения
:
ПК-2
Владен
ия:
применения
законов физики
фундаментальные
законы природы и
основные
физические законы
в области
механики,
термодинамики,
электричества и
магнетизма,
оптики и атомной
физики
самостоятельно
анализировать
физическую и
естественнонаучную
литературу,
использовать
методы научного
познания в
профессиональной
области
навыками
практического
применения
законов физики
самостоятельно
анализировать
физическую и
естественнонаучную
литературу,
использовать
методы научного
познания в
профессиональной
области
методами
проведения
физических
измерений,
методами
корректной оценки
погрешностей при
проведении
физического
эксперимента
навыками
практического
применения
законов физики
1.4 Основные виды занятий и особенности их
проведения
Объем и сроки изучения дисциплины:
Общая трудоемкость дисциплин составляет 2 зачетных
единицы, 72 часа. Из них 34 часа – аудиторной работы, 28 часов
– самостоятельной работы, 10 часов – контрольные работы.
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах,
составляет 25 процентов аудиторных занятий.
Промежуточная аттестация по курсу – зачёт.
Дисциплина включает в себя:
- лекционные занятия;
- практические занятия;
- консультации;
- контрольные работы;
- самостоятельная работа студентов;
- научные семинары;
- участие в студенческих конференциях;
- встречи с представителями российских и зарубежных
компаний.
1.5 Виды контроля и отчетности по дисциплине
Контроль успеваемости студентов осуществляется в
соответствии с рейтинговой системой оценки знаний студентов.
Текущий контроль предполагает:
- проверку уровня самостоятельной подготовки студента при
выполнении индивидуального задания;
- опросы и дискуссии по основным моментам изучаемой
темы;
проведение контрольных работ по блокам изученного
материала;
- доклады по индивидуальным темам в форме презентаций.
Промежуточный контроль предусматривает зачёт.
2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ
ДИСЦИПЛИНЫ
2.1 Темы лекций
Тема 1. Введение. Общие свойства твердых тел
1.1. Силы связи.
1.2. Общая структура твердых тел.
Сопоставление различных видов связи.
Тема 2. Некоторые элементы геометрии кристаллов
2.1. Образование кристаллов. Кристаллическая решетка.
2.2. Типичные кристаллические решетки.
2.3. Некоторые характеристики элементарных кубических решеток.
Тема 3.Несовершенства в кристаллах
3.1. Тепловые колебания.
3.1.1. Энергия атома, нормальные колебания.
3.1.2. Спектр нормальных колебаний решетки.
3.1.3. Энергия нормальных колебаний. Понятие о фононах.
3.2. Дефекты кристаллической решетки.
Тема 4. Несовершенства в кристаллах
3.1. Тепловые колебания.
3.1.1. Энергия атома, нормальные колебания.
3.1.2. Спектр нормальных колебаний решетки.
3.1.3. Энергия нормальных колебаний. Понятие о фононах.
3.2. Дефекты кристаллической решетки.
Тема 5. Поверхность Ферми
5.1 Эффективная масса электрона, и её зависимость от волнового
вектора.
5.2. Необходимое и достаточное условие для электропроводности.
5.3. Поверхность Ферми, число состояний.
5.4. Плотность электронных состояний.
Тема 6. Физические свойства полупроводников
6.1. Собственные полупроводники электроны и дырки
6.2. Примесные полупроводники донорные и акцепторные.
6.3. Положение уровня Ферми и концентрации носителей заряда.
Тема 7. Проводимость полупроводников
7.1. Собственная проводимость полупроводников.
7.2. Примесная проводимость полупроводников.
7.3. Отступления от закона Ома.
7.4. Эффект Ганна.
7.5. Эффект Холла.
7.6. Фотопроводимость полупроводников.
Тема 8. Электропроводность твердых тел
8.1. Электропроводность металлов и сплавов.
8.2. Явление сверхпроводимости.
Тема 9. Контактные явления
9.1. Работа выхода.
9.2. Термоэлектронная эмиссия.
9.3. Контактная разность потенциалов.
Тема 10. Электронно-дырочный переход
10.1. Поверхностные состояния.
10.2. Равновесные состояния р-n перехода.
10.3. Выпрямляющие свойства р-n переход.
Тема 11. Поверхностные состояния
11.1. Поверхностные состояния.
11.2. Приповерхностный слой объемного заряда.
11.3. Эффект поля МДП – структуры.
11.4. Термоэлектродвижущая сила.
Тема 12. Магнитные свойства тел
12.1. Природа диа- и парамагнетизма.
12.2. Природа ферромагнетизма.
12.3. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм.
12.4. Магнитострикция.
Тема 13. Физические свойства диэлектриков
13.1. Поляризация диэлектриков.
13.2. Диэлектрическая проницаемость.
Тема 14. Пробой диэлектриков
14.1. Основные определения.
14.2. Различные виды потерь.
14.3. Потери в неоднородных диэлектриках.
14.4. Полный спектр потерь.
Тема 15. Пробой диэлектриков
15.1. Основные виды пробоя в различных телах.
15.2. Тепловой пробой.
15.3. Электрический пробой.
Тема 16. Активные диэлектрики
16.1. Спонтанная поляризация и классификация сегнетоэлектриков.
16.2. Параэлектрики.
Тема 17. Физические эффекты в сегнетоэнергетических материалах
17.1. Пьезо- и пироэлектрический эффект.
2.2 Перечень тем практических занятий
1. Строение атома и элементы геометрии в кристаллах.
2. Зонная теория твердого тела. Уровень Ферми.
3. Физические свойства полупроводников.
4. Проводимость полупроводников. ТермоЭДС.
5. Работа выхода. Термоэлектронная эмиссия.
6. Магнитные материалы. Ферриты.
7. Диэлектрики.
3. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Распределение образовательных технологий по видам занятий
ООП
21040062
Радиотехника;
21070062
Вид
занятия,
аттестац
ия
Лек.
ПЗ
Контр.
СРС
А1/А2
З
Используемые образовательные
технологии
Материал в виде презентаций
Индивидуальные расчётнопрактические задания
Письменный опрос по
изучаемым темам
Работа с электронными
источниками и базами данных,
изучение теоретического
материала
Балло-рейтинговая система
Балло-рейтинговая система
При
проведении
лекционных
занятий
используется
мультимедийная компьютерная техника для улучшения качества
и объёма усвоенного материала. Практические работы
выполняются с использованием систем автоматизированного
моделирования и проектирования «Открытая физика».
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО
ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
4.1 Перечень и тематика самостоятельных работ
студентов по дисциплине
В рамках общего объема часов, отведенных для изучения
дисциплины, предусматривается выполнение следующих видов
самостоятельных работ студентов (СРС): индивидуальные домашние
задания, самостоятельное изучение теоретического материала с
самоконтролем по приведенным ниже вопросам, изучение
теоретического материала при подготовке к практическим занятиям,
итоговое повторение теоретического материала, методов анализа
физических свойств радиоэлектронных материалов.
Для студентов очной формы обучения предусматривается выполнение
двух индивидуальных домашних заданий:
1. Расчет положения уровня Ферми по отношению к валентной зоне и
зоне проводимости для германия, кремния, арсенида галлия и
арсенида индия.
Целью работы является закрепление теоретических знаний и
приобретение навыков расчетов, связанных с зонной теорией - темы 5 и
6 содержания дисциплины.
Планируемое время СРС – 5 часов.
2. Расчет электрической прочности p – n перехода для германия.
кремния и арсенида галлия.
Целью работы является закрепление теоретических знаний и
приобретение навыков расчета электрических полупроводниковых
переходов в соответствии с темой 10 содержания дисциплины
4.2 Контрольные вопросы для самостоятельной оценки качества
освоения учебной дисциплины
Что такое разрешенные и запрещенные энергетические зоны?
Что такое ширина запрещенной зоны?
Каковы правила наиболее целесообразного построения
энергетических диаграмм?
4. Чем отличается наклон (угловой коэффициент) энергетических
уровней и зон на энергетической диаграмме полупроводника?
5. Что такое уровень Ферми?
6. В каких случаях и почему надо пользоваться различными статистиками
распределения электронов по энергиям?
7. Что такое собственный полупроводник?
8. Чему равно произведение концентрации электронов и дырок в
невырожденном полупроводнике при термодинамическом
равновесии?
9. Что такое диффузия и дрейф носителей заряда?
10. Что такое подвижность носителей заряда?
11. Что такое диффузионная длинна и длинна свободного пробега
носителя заряда?
1.
2.
3.
12. Как объяснить температурную зависимость концентрации
носителей заряда в полупроводнике?
13. Какими физическими факторами объясняется температурная
зависимость подвижности носителей заряда?
14. Как и почему изменяется рассеяние носителей заряда в
сильных электрических полях?
15. Что такое прямые и непрямые переходы носителей заряда
между разрешенными зонами полупроводника?
16. Что такое показатель поглощения света полупроводником?
17. Что такое фоторезистивный эффект?
18. Какие разновидности поверхностных слоев могут возникать на
полупроводнике при наличии различных поверхностных
состояний?
19. Что такое скорость поверхностной рекомбинации?
20. Что такое удельное сопротивление слоя и какова размерность
этого параметра?
21. Что такое электронно-дырочный переход?
22. Как и почему изменяется высота потенциального барьера р-n
перехода с изменение температуры и концентрации примесей?
23. Что такое инжекция и экстракция неосновных носителей заряда?
24. От чего зависит и чем определяется концентрация неосновных
носителей заряда на границах р- n перехода?
25. Как можно записать условие электрической нейтральности р-п
перехода и каков физический смысл этого условия?
26. Как распределяется напряженность электрического поля и
потенциал в резком и плавном р- n переходах?
27. Что такое барьерная емкость р- n перехода?
28. Как определить контактную разность потенциалов на р- n
переходе с помощью экспериментальных вольт-фарадных
характеристик этого перехода?
29. Почему электрический переход между двумя одинаковыми
полупроводниками с одним типом электропроводимости, но с
разной концентрации примесей, является омическим и
неинжектирующим неосновные носители заряда в
высокоомную область?
30. При каких условиях электрический переход между металлом и
полупроводником будет омическим?
31. При каких условиях электрический переход между металлом и
полупроводником будет выпрямляющим без инжекции
неосновных носителей заряда в полупроводник?
32. В каком случае может происходить накопление неосновных
носителей заряда вблизи омического перехода между
металлом и полупроводником?
33. Каковы правила построения энергетических диаграмм
гетеропереходов?
34. Почему и при каких условиях на гетеропереходах может
происходить выпрямление без инжекции неосновных носителей
зарядов?
35. Почему на гетеропереходе между двумя полупроводниками с
одним типом электропроводимости может наблюдаться эффект
выпрямления?
36. Каким требованиям должны удовлетворять омические переходы?
37. Что такое способность рекомбинации на омическом переходе?
38. Что такое сопротивление омического перехода и как его
определить экспериментально?
39. Что такое коэффициент выпрямления и почему этот
параметр применим только при наличии слабого эффекта
выпрямления?
40. Что такое коэффициент нелинейности ВАХ омического
перехода?
41. Какую область полупроводникового диода называют
базой?
42. Почему при определении плоскостных и точечных диодов в
качестве характеристической длинны иногда принимают
диффузную длину неосновных носителей заряда в базе
диода, а иногда толщину базы?
43. Почему о плотности тока через диод можно судить по
распределению неосновных носителей заряда в его базе?
44. Чем отличаются ВАХ диодов с толстой и тонкой базами?
45. Как и по каким причинам изменяется прямая ветвь диода
с увеличением его температуры?
46. Что такое диффузная емкость диода?
47. Как связанно время пролета неосновных носителей
заряда через базу диода с толщиной базы и
коэффициентом диффузии неосновных носителей?
48. В каких случаях процесс генерации носителей в р-n
переходе влияет на ВАХ диода?
49. Как связан коэффициент лавинного размножения с
коэффициентом ударной ионизации?
50. Как зависит пробивное напряжение диодов при лавинном
пробое от концентрации примесей в базе и от ее удельного
сопротивления?
51. Как изменяется пробивное напряжение диода при
лавинном и при туннельном пробое с увеличением
температуры?
52. Каковы особенности теплового пробоя в реальных
диодах?
53. Как могут влиять поверхностные состояния на ВАХ
диода?
54. Какие явления надо учитывать при работе на высоком
уровне инжекции?
55. По каким причинам в базе диода возникает электрическое
поле при высоком уровне инжекции?
56. Как процессы накопления и рассасывания неосновных
носителей заряда в базе диода, а также барьерная
емкость влияет на работу диода при быстром изменении
напряжения или тока?
57. Перечислите и объясните отличия в свойствах и и
параметрах кремниевых и германиевых выпрямительных
диодов?
58. Какие физические явления и свойства выпрямляющих
электрических переходов используется в различных
полупроводниковых диодах: выпрямительных,
смесительных, умножительных, модуляторных диодах,
полупроводниковых стабилитронах и стабисторах, лавиннопролетных, туннельных и обращенных диодах, диодах
Ганна, варикапах?
59. Какие физические явления используются в датчиках
Холла, где они применяются?
60. Почему в варикапах используется только барьерная
емкость и не используется диффузная емкость
4.3. Рекомендации по работе с литературой
Для изучения теоретического материала и материала для
самостоятельной работы, в соответствие с программой
дисциплины, рекомендуются следующие учебники, учебные и
справочные пособия [1-6].
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1 Основная литература
1. Толмачёв, Владимир Вениаминович. Физические основы
электроники:-М, ; Ижевск :2009.-464с.
2. АнтиповБ.Л., Сорокин В.С., Терехов В.А. Материалы
электронной техники. Задачи и вопросы. 2009. Бином. 208с.
3. Ефимов И .Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники,
БИНОМ. 2008. 384с.
5.2 Дополнительная литература
4. Епифанов Г.И. Физика твердого тела: Учебное пособие для
вузов. – М.: Высш. шк., 1977.
5. Электрорадиоматериалы: Учебное пособие для вузов / Под
ред. В.М. Тареева. – М.: Высш. шк., 1978.
6. Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника: Пер.
с испан. – М.: Высш. шк., 1991.
7. Уэрт Ч., Томпсон Р. Физика твердого тела: Пер. с англ. – М.:
Мир, 1966.
.
Полнотекстовые базы данных
Полнотекстовые базы данных, библиотека ВГУЭС URL:
http://lib.vvsu.ru
5.4 Интернет-ресурсы
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНЫ
При проведении лабораторных и практических работ используются
рабочие станции со специализированным программным обеспечением,
лекций – мультимедийное оборудование.
а) программное обеспечение: Microsoft Office, Cadence ORCAD.
б) техническое и лабораторное обеспечение: рабочие станции на базе
архитектуры x86 и x64, проекционное оборудование.
7. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ