Дисциплины ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

 

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

 

Кафедра радиоэлектроники

 

 

	Утверждаю Декан САУ факультета ________________(А.Э. Соловьев) “____”________________ 2012 г.

 

 

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

дисциплины

 

ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

 

 

Специальность подготовки: 210601 Радиоэлектронные системы и комплексы

Квалификация выпускника: специалист

 

Форма обучения: очная

 

 

Тула 2012 г.

ЛИСТ

Согласования рабочей программы

протокол № 8 от « 18 » января 20 12 г.   Зав. кафедрой Н.А. Зайцев

Цели и задачи освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины «Основы микроэлектроники» являются: – ознакомление студентов с физическими принципами функционирования,… – привитие студентам навыков использования современных принципов проектирования радиоэлектронных систем и комплексов…

Место дисциплины в структуре ООП ВПО

Дисциплина «Основы микроэлектроники» относится к вариативной части учебного цикла – 3 В 08 Профессиональный цикл. Дисциплина «Основы микроэлектроники» предназначена для подготовки специалистов… Базовыми для изучения дисциплины являются университетские курсы математики и физики, а также изучаемые дисциплина…

Содержание и структура дисциплины

Содержание разделов дисциплины

1. Этапы производства и оптимизация интегральных схем.

1.1.Основные этапы производства полупроводниковых ИС.

1.1.1. Характеристика технологических процессов производства ИС.

1.1.2. Технологические операции получения кристалла (чипа) будущей ИС.

1.1.3. Операции сборки и корпусирования ИС

1.2. Оптимизация стоимости одного активного элемента в составе БИС.

1.2.1. Стоимостные характеристики операции получения кристалла и сборки ИС.

1.2.2.Вероятностные характеристики получения годной ИС.

1.2.3. Минимизация стоимости изготовления одного элемента ИС.

1.2.4. Пути экономически обоснованного увеличения степени интеграции.

1.3. Интегральные схемы на КМДП.

1.3.1. КМДП - элемент микромощной микроэлектроники.

1.3.2. Конструктивные особенности КМДП ИС.

1.3.3. Элементы схемотехники КМДП ИС.

1.3.4. Ограничения на уменьшение размеров традиционных МДП элементов ИС.

1.3.5. Полевые транзисторы с барьером Шотки.

1.4.Сверхмалогабаритные полевые транзисторы.

1.4.1. Кремниевый транзистор на изолирующей основе.

1.4.2. Полевые транзисторы на основе структуры "кремний на сапфире".

1.4.3. Полевой транзистор с р -каналом длиной 50 нм.

1.5.Тенденции развития полупроводниковых интегральных схем

2. Предельные возможности интегральной микроэлектроники.

2.1. Физические ограничения на уменьшение размеров и рост степени интеграции.

2.1.1. Минимально допустимые напряжения и токи в ИС.

2.1.2. Электромиграция. Допустимые плотности токов в шинах ИС.

2.1.3. Статистическая воспроизводимость технологического процесса.

2.1.4. Теплофизические ограничения на рост интеграции.

2.1.5. Задержка и искажение импульсов на связях.

2.2. Технологические ограничения на уменьшение размеров элементов ИС.

2.2.1. Предельные возможности фотолитографии.

2.2.2. Электронная и ионная литография в микроэлектронике.

2.2.3. Формообразующие характеристики процессов легирования.

2.3. Предельная степень интеграции.

2.3.1. Минимальная площадь, занимаемая одним элементом ИС.

2.3.2. Плотность записи МДП ЗУ в функции от размеров элемента ИС.

3. Приборы с зарядовой связью.

3.1. Принцип действия приборов с зарядовой связью.

3.1.1 Устройство активной зоны ПЗС. Носитель информации в ПЗС.

3.1.2. Ввод и вывод информации в ПЗС.

3.1.3. Оптический способ ввода информации в ПЗС.

3.1.4. Перемещение носителя информации в активной зоне ПЗС.

3.1.5. Характерные временные интервалы в ПЗС.

3.2. ПЗС в системах обработки информации.

3.2.1. Линии задержки на ПЗС. Необходимость регенерации сигнала.

3.2.2. Устройства записи информации на ПЗС.

3.2.3. Конвольвер на ПЗС.

3.3. Преобразователь оптического сигнала на ПЗС.

3.3.1. Формирование ТВ - строки на ПЗС. Характерные временные интервалы в ТВ сигнале. Особенности цифровой обработки ТВ сигнала. Цифровая фотография.

3.3.2. Обработка двумерного изображения ТВ - преобразователем на ПЗС.

3.3.3. Оценка чувствительности ТВ - преобразователя на ПЗС.

3.3.4. Способы использования ТВ - преобразователей на ПЗС при передаче цветных изображении.

4. Гетеропереход и двумерный электронный газ.

4.1. Основные свойства гетероперехода.

4.1.1 Устройство гетероперехода. Выбор пары, образующий гетеропереход.

4.1.2. Технология гетероперехода.

4.1.3. Энергетическая диаграмма гетероперехода.

4.1.4. Сверхинжекция неравновесных носителей заряда в гетеропереходе.

4.1.5. Понятие о двумерном электронном газе.

4.2. Гетеропереход в устройствах интегральной оптики.

4.2.1. Фотодиод на основе р-перехода. Режимы работы фотодиода.

4.2.2. Светодиод на основе p-n перехода. Роль инжекции неравновесных

носителей заряда в работе светодиода.

4.2.3. Гетеролазер. Характеристики излучения гетеролазера

4.2.4. Пленочный гетеролазер с дифракционными зеркалами.

4.3. Основные характеристики двумерного электронного газа в гетеропереходе.

4.3.1. Количественные характеристики энергетической диаграммы на границе раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход.

4.3.2. Квантовое описание потенциальной ямы, возникающей на границе раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход.

4.3.3. Допустимая плотность состояний электронов на границе раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход.

4.3.4. Подвижность электронов в составе двумерного электронного газа.

4.3.5. Электрическое сопротивление проводящего слоя, образованного двумерным электронным газом.

5. Сверхбыстродействующие транзисторы на основе гетероперехода.

5.1. Биполярные транзисторы на основе гетероперехода.

5.1.1. Особенности конструкции биполярного транзистора.

5.1.2. Гетероструктурные эмиттер и коллектор.

5.1.3. Гетероструктурные биполярные транзисторы.

5.2. Полевые транзисторы на основе гетероперехода.

5.2.1. Нормальная (прямая) структура полевого транзистора на основе гетероперехода

5.2.2. Обратная структура полевых транзисторов на основе гетероперехода.

5.2.3. Полевые транзисторы на основе гетероперехода с р - каналом.

5.3. Сверхмалогабаритные МДП транзисторы на основе гетероперехода.

5.3.1. КМДП транзисторы на гетеропереходах с р и n двумерным газом.

5.3.2. Сведения о технологии КМДП транзисторов на гетеропереходах с р и n двумерным газом.

6. Микроэлектроника СВЧ.

6.1 Область применения микроэлектроники СВЧ.

6.1.1. Спутниковое ТВ вещание.

6.1.2. Сотовая связь с подвижными объектами.

6.1.3. СВЧ электроника в автомобильном транспорте.

6.2. Основные компоненты и характеристики СВЧ ИС.

6.2.1. Линии передачи: микрополосковые, копланарные. Согласование линий передачи. Понятие о фильтрах.

6.2.2. Основные функциональные элементы СВЧ ИС: усилитель, преобразователь частоты, гетеродин.

6.2.3. Шумовые характеристики СВЧ усилителя слабых сигналов.

6.2.4. Выходная мощность и к.п.д. усили>теля мощности в составе СВЧ ИС.

6.3. Особенности конструкции и использования маломощных СВЧ полевых транзисторов.

6.3.1. Конструкция маломощного СВЧ полевого транзистора.

6.3.2. Эквивалентная схема СВЧ полевого транзистора в пассивном и активном режимах.

6.4. Использование маломощных СВЧ полевых транзисторов в СВЧ ИС.

6.4.1. НЕМТ в режиме СВЧ ключа.

6.4.2. Полевой транзистор в режиме СВЧ усилителя.

7. Основы наноэлектроники

7.1. Свойства индивидуальных наночастиц

7.1.1 Металлические нанокластеры. Магические числа. Геометрическая структура. Электронная структура. Реакционная способность. Магнитные кластеры

7.1.2.Полупроводниковые наночастицы. Оптические свойства. Фотофрагментация. Кластеры инертных газов.

7.2. Углеродные наноструктуры

7.2.1Углеродные молекулы. Природа углеродной связи.

7.2.2 Углеродные кластеры. Малые углеродные кластеры. Фуллерен С₆₀. Неуглеродные шарообразные молекулы

7.2.3Углеродные нанотрубки. Методы получения. Применение углеродных нанотрубок

7.3. Объемные наноструктурированные материалы

7.3.1. Разупорядоченные твердотельные структуры. Методы синтеза. Основные свойства. Другие свойства.

7.4. Физические принципы наноэлектроники

7.4.1.Наноэлектроника. Принцип квантования и квантовое ограничение

7.4.2. Структуры с двумерным электронным газом. Структуры с одномерным электронным газом. Структуры с нульмерным электронным газом

7.4.3 Транспорт носителей заряда вдоль потенциальных барьеров. Фазовая интерференция электронных волн. Квантовый эффект Холла. Приборы на интерференционных эффектах.

7.4.4.Туннелирование носителей заряда. Структуры с вертикальным переносом и квантовые сверхрешетки. Одноэлектронное туннелирование. Приборы на одноэлектронном туннелировании. Резонансное туннелирование. Приборы на резонансном туннелировании.

7.4.5. Спиновые эффекты. Гигантское магнитосопротивление. Спин-зависимое туннелирование. Манипулирование спинами носителей заряда в полупроводниках. Эффект Кондо. Спинтронные приборы.

7.5. Технологии создания твердотельных наноструктур

7.5.1. Традиционные методы осаждения пленок

7.5.2. Методы, использующие сканирующие зонды

7.5.3. Нанолитография. Нанопечать. Сравнение нанолитографических методов.

7.5.4.Саморегулирующиеся процессы. Самоупорядочение. Самосборка

7.6. Применение квантово-размерных структур в приборах наноэлектроники

7.6.1. Лазеры с квантовыми ямами и точками

7.6.2. Фотоприемники на квантовых ямах

7.6.3. Квантово-точечные клеточные автоматы и беспроводная электронная логика

7.6.4 Нанокомпьютеры

 

4.2 Распределение часов по семестрам и видам занятий

 

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц (180 часов).

Объём часов, отводимых учебным планом на освоение учебно-программного материала дисциплины, в том числе:

 

Семестр	Занятия с преподавателем	Выполнение курсовых заданий	Др. сам. вне- ауд. раб.	Виды отчет- ности
аудиторные	инди виду- альные
Лек- ции	Практ. занят.	Лабор. занят.	Итого	ККР	КП (КР)
			-			-	-		Экз.(36ч)
							-		зачёт
Итого			-		-		-		Экз.(36ч), зачёт

 

 

4.3 Темы, выносимые на лекции

 

№№ лекций	Разделы, подразделы, пункты содержания дисциплины, выносимые на лекции	Примечание
	Пятый семестр
	1.1-1.2
	1.3-1.4
	1.5
	2.1
	2.2
	2.3
	3.1
	3.2
	3.3
	4.1
	4.2
	5.1
	5.2
	5.3
	6.1
	6.2
	6.3
	6.4
	Шестой семестр
	7.1
	7.2
	7.3
	7.4.1-7.4.2
	7.4.3-7.4.5
	7.5.1-7.5.2
	7.5.3-7.5.4
	7.6.1-7.6.2
	7.6.3-7.6.4	1 час

4.4 Лабораторные работы

 

Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены

 

4.5 Практические занятия (семинары)

№ ПЗ	№ раздела	Тема занятия	Кол-во ауд. часов
		Расчёт плёночных резисторов тонкоплёночных элементов ГИС
		Расчёт плёночных конденсаторов тонкоплёночных элементов ГИС
		Проектирование тонкоплёночных гибридных ИС
		Расчёт плёночных резисторов толстоплёночных элементов ГИС
		Расчёт плёночных конденсаторов толстоплёночных элементов ГИС
		Проектирование толстоплёночных гибридных ИС
		Изучение методов изоляции полупроводниковых ИМС
		Расчёт и проектирование пассивных элементов полупроводниковых ИС
		Расчёт и проектирование биполярных транзисторов полупроводниковых ИС
		Расчёт и проектирование полевых транзисторов полупроводниковых ИС
		Расчёт и проектирование полевых транзисторов с изолированным затвором полупроводниковых ИС
		Изучение конструкций СВЧ транзисторов

Курсовые (домашние) задания и самостоятельная работа студента

 

Цель контрольно-курсовой работы (ККР) заключается в закреплении знаний, полученных в процессе изучения лекционного курса и практических занятий. Тематика ККР направлена на изучение конструкций устройств микроэлектроники и наноэлектроники и получение навыков расчёта и проектирования микроэлектронных изделий. На выполнение КР должно быть затрачено 11 недель (1 неделя – получение задания, 12 неделя – сдача КР).

Контрольно-курсовая работа рассчитана на 10 часов самостоятельной работы студента. Темы курсовых работ предлагаются студентам преподавателем на второй неделе семестра. Они могут иметь аналитическое, расчетное или исследовательское направление. Допускается выдача комплексных тем, в процессе выполнения которых участвуют несколько студентов, однако в этом случае необходимо конкретно поставить задачи перед каждым исполнителем.

В первом случае студент проводит анализ одной из проблем, стоящих в изучаемой дисциплине, и обосновывает наиболее целесообразные пути ее решения. Анализ должен включать подробный патентно-информационный поиск (с обязательным привлечением Интернет-источников). Обоснование должно иметь конкретный характер и подтверждаться сравнительными оценками и расчетами.

Расчетные задания заключаются в обосновании и выборе конкретного варианта построения микроэлектронного устройства и расчёте его основных характеристик. Обязательным является привлечение компьютерных технологий для выполнения расчётов и моделирования устройства.

Исследовательские задания могут быть направлены на поиск новых методов решения известных задач радиотехники и радиофизики, экспериментальное исследование радиофизических процессов в элементах и устройствах.

Примерная тематика контрольно-курсовых работ:

1. Операции сборки и корпусирования ИС

2. Интегральные схемы на КМДП

3. Элементы схемотехники КМДП ИС

4. Сверхмалогабаритные полевые транзисторы

5. Полевые транзисторы на основе структуры "кремний на сапфире".

6. Тенденции развития полупроводниковых интегральных схем

7. Приборы с зарядовой связью.

8. Линии задержки на ПЗС.

9. Устройства записи информации на ПЗС

10. Конвольвер на ПЗС

11. Оценка чувствительности ТВ - преобразователя на ПЗС

12. Пленочный гетеролазер с дифракционными зеркалами

13. Сверхбыстродействующие транзисторы на основе гетероперехода

14. Полевые транзисторы на основе гетероперехода

15. КМДП транзисторы на гетеропереходах с р и n двумерным газом

16. Эквивалентная схема СВЧ полевого транзистора в пассивном и активном режимах

17. НЕМТ в режиме СВЧ ключа

Примерное содержание контрольно-курсовой работы:

- реферативное изложение научной темы, определяемой преподавателем;

- изложение радиотехнической, радиофизической или электронной задачи по направлению подготовки и специальности в письменной форме;

- анализ математических моделей, описывающих микроэлектронное устройство или процесс;

- выполнение инженерно-технических расчетов с привлечением компьютерных технологий, подтверждающих физические закономерности научно-технической темы;

- моделирование характеристик устройства с привлечением САПР;

- выводы по результатам ККР;

- оформление контрольно-курсовой работы с использованием компьютерной техники.

 

Самостоятельная работа студентов включает выполнение контрольно-курсовой работы, подготовку к текущему контролю знаний на аттестациях, повторение лекционного материала к итоговой аттестации.

Целями самостоятельной работы студентов являются:

- Закрепление, углубление и проверка теоретических и практических знаний, навыков у студентов, полученных на лекциях, а также при изучении рекомендуемой литературы;

- Развитие у студентов творческого мышления и способности принимать правильное решение в конкретной проектно-производственной ситуации;

- Выработка у студентов потребности в постоянном обогащении своих знаний и умения правильно ориентироваться в различных ситуациях по проектированию и производству новых изделий;

- Способствовать формированию деловых качеств специалиста и руководителя производства.

Объем самостоятельной работы регламентируется учебным планом подготовки и рабочей программой дисциплины. На основе исследований эффективности самостоятельной работы студентов было установлено, что оптимальный объем самостоятельной работы составляет 50% от общей трудоемкости дисциплины. Этот критерий положен в основу объема самостоятельной работы учебного плана подготовки.

Основными формами самостоятельной работы студентов являются:

- Самостоятельное изучение разделов курса (1.2.3, 1.2.4, 1.5, 6.4.2) с контролем усвоения по контрольным вопросам;

- Подбор библиографических источников по заданной теме ККР и их анализ (с обязательным использованием сети INTERNET);

- Подготовка реферативных материалов;

- Решение домашних заданий по практическим занятиям.

Контроль уровня освоения материала должен осуществляться в процессе текущего контроля два раза в семестр: на десятой и шестнадцатой неделях семестра. Основная форма контроля - самоконтроль усвоения материала по фонду контрольных вопросов кафедры.

Контрольный материал по дисциплине должен содержать не менее 30 заданий, минимум по четырем разделам дисциплины.

Критерии освоения каждого раздела дисциплины: 60-70% выполненных заданий от общего числа заданий по разделу.

При проведении самостоятельной работы следует использовать литературу, приведенную в рабочей программе дисциплины.

 

№ п/п	Наименование видов самостоятельной работы	Трудоемкость (час.)	Методические материалы
	Самостоятельное изучение разделов курса (1.2.3, 1.2.4, 1.5, 6.4.2) с контролем усвоения по контрольным вопросам		[1-3] (см.п.8.1) [1-8] (см.п.8.2)
	Подбор библиографических источников по заданной теме ККР и их анализ (с обязательным использованием сети INTERNET)		[3-9] (см.п.8.4)
	Подготовка к текущим аттестациям		[1-3] (см.п.8.1) [1-8] (см.п.8.2) [3-9] (см.п.8.4)
	Работа над контрольно-курсовой работой		[1] (см.п.8.7)
	Итого

 

Образовательные технологии

1) В процессе лекционных занятий целесообразно использование следующих активных и интерактивных форм: - проблемные лекции; - лекции – провокации;

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации

Текущий контроль знаний студентов, контроль самостоятельной работы студентов и промежуточные аттестации проводится с использованием тестовых… Образцы вопросов для текущей аттестации приведены ниже.  

Порядок проведения текущих и промежуточных аттестаций. Шкалы оценок

Дисциплина оценивается по 100-бальной системе со следующими диапазонами баллов, соответствующими традиционным оценкам:   Экзамен Академическая оценка (по 4-бальной …   Зачет Академическая оценка Не зачтено Зачтено Бальная оценка (по…

Учебно-методическое обеспечение дисциплины (модуля)

  1. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы: учебное пособие для вузов /… 2. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы : учебник для вузов / В.В.Пасынков, Л.К.Чиркин .— 6-е изд., стер. — СПб. :…

Лабораторные занятия учебным планом не предусмотрены

8.6 Методические указания к практическим занятиям

1. Е.А. Макарецкий Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Основы микроэлектроники» (ресурс кафедры).

 

8.7 Методические указания к курсовому проектированию и другим видам самостоятельной работы

1. Е.А. Макарецкий Методические указания к контрольно-курсовой работе по дисциплине « Основы микроэлектроники». (ресурс кафедры)

2. Макарецкий Е.А. Методические указания к самостоятельной работе студентов по дисциплине «Основы теории систем и комплексов радиоэлектронной борьбы». (ресурс кафедры)

Дополнения и изменения в рабочей программе

  В рабочую программу вносятся следующие изменения: …………………………………..;