МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Полупроводниковая электроника

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.03.03. Радиофизика
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость2 ЗЕТ
Учебный план03_03_03_РФ-2-2019
Часов по учебному плану 72
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 36
Виды контроля по семестрам
зачеты: 5

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 3 (5) Итого
Недель 19
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 24 24 24 24
Практические 12 12 12 12
Сам. работа 36 36 36 36
Итого 72 72 72 72

Программу составил(и):
к.ф.-м.н. , Трошкин Д.Н.

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной физики, электроники и информационной безопасности, Рудер Давыд Давыдыч

Рабочая программа дисциплины
Полупроводниковая электроника

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.03.03 РАДИОФИЗИКА (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 12.03.2015г. №225)

составлена на основании учебного плана:
03.03.03 Радиофизика
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Срок действия программы: 2019-2020 уч. г.

Заведующий кафедрой
Д.ф.-м.н. Лагутин А.А.


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Заведующий кафедрой Д.ф.-м.н. Лагутин А.А.


1. Цели освоения дисциплины

1.1.сформировать у студентов современное представление о физических процессах, определяющих принцип действия, свойства, характеристики и параметры различных полупроводниковых приборов

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-1 способностью понимать принципы работы и методы эксплуатации современной радиоэлектронной и оптической аппаратуры и оборудования
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.физические явления в полупроводниковых приборах, основные свойства полупроводниковых приборов, область их применения, основные принципы, законы построения и функционирования электронных систем, теоретические и экспериментальные методы оценки параметров полупроводниковых приборов, основные методы моделирования полупроводниковых приборов, основные направления развития полупроводниковых приборов и устройств
3.2.Уметь:
3.2.1.применять, эксплуатировать и производить выбор полупроводниковых приборов, применять различные полупроводниковые приборы при разработке радиоэлектронных схем, правильно применять полупроводниковые устройства, измерять заданные параметры полупроводниковых приборов, применять компьютерное моделирование для оценки работы конечного устройства на основе полупроводниковых приборов, самостоятельно осваивать новые полупроводниковые приборы и основанные на них устройства
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.навыками использования радиоэлектронной аппаратуры, методами радиофизических измерений, навыками использования компьютерных программ для моделирования радиоэлектронных приборов и устройств, навыками поиска и анализа информации

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Основные сведения об электронных приборах
1.1. Основные сведения об электронных приборах. Функции и задачи электронных приборов. Классификация электронных приборов. Режимы работы электрон-ных приборов. Параметры и характеристики электронных приборов. Лекции 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
1.2. Основные этапы развития электроники. Сам. работа 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
Раздел 2. Основы зонной теории
2.1. Образование энергетических зон в твёрдом теле. Разрешённая и запрещённая зона. Зона проводимости, валентная зона. Статистика носителей заряда в твёрдом теле. Формула Ферми-Дирака. Уровень Ферми. Формула Максвелла-Больцмана для невырожденного полупроводника. Лекции 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
2.2. Кристаллическая структура полупроводников. Распределение энергетических зон согласно трёхмерной модели кристалла. Положение уровня Ферми в зависимости от температуры. Сам. работа 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
Раздел 3. Электропроводность полупроводников
3.1. Электропроводность собственных полупроводников. Средняя скорость дрейфа носителей заряда в кристалле. Подвижность электрона, эффективная масса электрона. Примесные полупроводники. Полупроводники p-типа и n-типа. Зонная диаграмма для примесных полупроводников. Энергия активации доноров, энергия активации акцепторов. Скомпенсированный полупроводник. Лекции 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
3.2. Вывод соотношений для концентрации носителей заряда в примесном полупроводнике. Температурная зависимость электропроводности полупроводников. Применяемые виды полупроводников и легирующих примесей. Сам. работа 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
3.3. Методы измерения удельного сопротивления. Двухзондовый метод. Практические 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
3.4. Методы измерения удельного сопротивления. Четырехзондовый метод. Практические 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
3.5. Измерение температурной зависимости проводимости полупроводников. Практические 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
3.6. Фотопроводимость полупрофодников. Практические 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
3.7. Эффект Холла. Практические 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
Раздел 4. Контакт двух материалов, Электронно-дырочный переход
4.1. Термоэлектронная эмиссия. Понятие о работе выхода, электронном сродстве и контактной разности потенциалов. Контакт полупроводник-полупроводник. Образование и энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода (ЭДП). Равновесное состояние ЭДП. Высота потенциального барьера и кон-тактная разность потенциалов ЭДП. Резкий и плавный ЭДП. Распределение напряженности и потенциала электрического поля в ЭДП. Соотношения для расчета толщины ЭДП. Неравновесное состояние ЭДП. ВАХ перехода Инжекция и экстракция неосновных носителей заряда. Инжек-тирующие контакты. Барьерная емкость контакта Лекции 5 4 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
4.2. Концентрация неосновных носителей заряда у границ ЭДП при больших и малых токах. Контакт металл-полупроводник.Диод Шоттки. Сам. работа 5 6 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
Раздел 5. Полупроводниковый диод
5.1. Элементарная теория выпрямляющего действия ЭДП. Основные допущения диодной теории выпрямления. Граничные условия задачи. Вольт-амперная характеристика диода. Распределение неосновных носителей в базе диодов с разной толщиной базы при прямом и обратном включении. Диффузионные токи в диоде, связан-ные с инжекцией и экстракцией неосновных носителей заряда ЭДП. Влияние толщины базы диода на его вольт-амперную характеристику. Частотные свойства полупроводникового диода с длинной базой при малом уровне инжекции. Выражение для плотности переменного тока. Частот-ная зависимость проводимости ЭДП. Частотная зависимость диффузионной ёмкости диода. Эквивалентная схема диода. Тунельный и обращенный диоды. Лекции 5 4 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
5.2. Типы диодов. Технологии производства диодов. Использование диодов в радиоэлектронной аппаратуре. Пробой ЭДП (лавинный, туннельный, тепловой). Сам. работа 5 8 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
Раздел 6. Биполярный транзистор
6.1. Принцип действия транзистора в качестве усилителя. Основные харак-теристики транзистора: коэффициент передачи тока, эффективность эмиттера, коэффициент переноса, коэффициент умножения коллектора. Коэффициент передачи тока на низкой частоте в схеме с общей базой. Вывод выражений для постоянных токов в транзисторе. Вывод выражения для коэффициента передачи тока. Влияние рекомбинационной составляющей тока на величину коэффициента передачи. Зависимость коэффициента передачи то-ка от уровня инжекции носителей в базу. Статические характеристики и коэффициент передачи тока в различ-ных схемах включения. Вывод выражений входных и выходных характеристик для включений по схеме с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором. Частотные свойства транзистора. Выражения для переменных токов в транзисторе. Эквивалентная схема транзистора. Частотная зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общей базой, общим эмиттером. Влияние ёмкости коллекторного перехода на коэф-фициент передачи тока. Лекции 5 6 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
6.2. Виды биполярных транзисторов. Технологии производства. Особенности конструкции транзисторов различного назначения. Схемы использования. Зависимость коэффициента передачи тока от уровня инжекции носителей в базу. Явления в транзисторе при больших токах. Шумы в транзисторах. Зависимость коэффициента шума от частоты. Сам. работа 5 12 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
6.3. Изучение частотной характеристики транзистора. Практические 5 2 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
Раздел 7. Полевые транзисторы
7.1. Полевой транзистор с ЭДП в качестве затвора. Принцип действия и статические характеристики. Эквивалентная схема и частотные свойства полевого транзистора с ЭДП. Полевой транзистор с изолированным затвором. Принцип действия и статические характеристики. Эквивалентная схема и частотные свойства Лекции 5 4 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1
7.2. Виды полевых транзисторов. Технологии производства. Особенности конструкции транзисторов различного назначения. Схемы использования.Вольт-фарадная характеристика полевого транзистора Сам. работа 5 4 ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2, Л2.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
1. Основные сведения об электронных приборах. Функции и задачи электронных приборов. Классификация электронных приборов. Режимы работы электронных приборов. Параметры и характеристики электронных приборов.
2. Образование энергетических зон в твёрдом теле. Одномерная модель. Разрешённая и запрещённая зона. Зона проводимости, валентная зона.
3. Статистика носителей заряда в твёрдом теле. Формула Ферми-Дирака. Уровень Ферми. Формула Максвелла-Больцмана для невырожденного полупроводника.
5. Положение уровня Ферми в зависимости от температуры.
6. Электропроводность собственных полупроводников. Примесные полупроводники. Полупроводники p-типа и n-типа. Зонная диаграмма для примесных полупроводников. Энергия активации доноров, энергия активации акцепторов.
8. Температурная зависимость электропроводности полупроводников с точки зрения зонной теории.
9. Термоэлектронная эмиссия. Понятие о работе выхода, электронном сродстве и контактной разности потенциалов.
10. Контакт металл-полупроводник. Барьер Шоттки.
11. Контакт полупроводник-полупроводник. Образование и энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода (ЭДП).
12. Равновесное состояние ЭДП. Высота потенциального барьера и контактная разность потенциалов ЭДП. Распределение напряженности и потенциала электрического поля в ЭДП.
13. Соотношения для расчета толщины ЭДП. Неравновесное состояние ЭДП. ВАХ перехода.
14. Влияние процессов генерации и рекомбинации на ВАХ диода. Влияние толщины базы диода на его вольт-амперную характеристику.
15. Частотные и импульсные свойства полупроводникового диода.
16. Барьерная емкость контакта. Диффузная емкость. Эквивалентная схема диода.
17. Пробой ЭДП. Тепловой пробой. Напряжение пробоя.
18 Лавинный пробой ЭДП. Критерий развития лавинного пробоя ЭДП. Выражения для обратной вольт-амперной характеристики при развитии лавинного пробоя.
19. Туннельный пробой. Туннельный и обращенный диоды.
20. Принцип действия транзистора в качестве усилителя. Основные характеристики транзистора: коэффициент передачи тока, эффективность эмиттера, коэффициент переноса.
21. Зависимость коэффициента инжекции (эффективности эмиттера) и коэффициента передачи от характеристик конструкции транзистора.
22. Уравнения Эберса-Молла. Вывод выражений входных и выходных характеристик для включений по схеме с общей базой.
23. Вывод выражений входных и выходных характеристик для включений по схеме с общим эмиттером.
24. Частотная зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общей базой, общим эмиттером.
25. Эквивалентная схема транзистора.
26. Полевой транзистор с изолированным затвором. Принцип действия и статические характеристики.
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
См. приложение

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Старосельский В. И. ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ. Учебное пособие для вузов: М.:Издательство Юрайт, 2019 biblio-online.ru
Л1.2 Данилов В. С., Раков Ю. Н. Анализ процессов в полупроводниковых устройствах: Учебники и учебные пособия для ВУЗов НГТУ, 2011 biblioclub.ru
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Шишкин Г. Г. , Агеев И. М. Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015 biblioclub.ru
Л2.2 Зегря, Г.Г. Основы физики полупроводников : Москва : Физматлит, 2009 e.lanbook.com
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Сайт издательства «Лань» (http://e.lanbook.com/)
6.3. Перечень программного обеспечения
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
311К лаборатория радиотехнического практикума - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 10 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска маркерная; стеллажи под лабораторное оборудование; компьютеры: марка Celeron Dual-Core модель E3300 - 7 единиц; мониторы: марка Acer модель V193WEOB - 7 единиц; адаптер ЛА-н20-12PCI; Анализатор АС-817; Анализатор спектра СК4; генераторы Г4-144, Г4-154, Г4-82, Г4-83; генератор/частотомер GFG-8215A; осциллограф ЕО-213 (6 шт.); стенды лабораторные (5 шт.); методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсам "Радиотехнический практикум", "Полупроводниковая электроника", "Физическая электроника".
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Все лекционные материалы и практические задания разработаны на основе приведенной в РПД литературы.
При условии успешного выполнения всех практических заданий студент допускается к сдаче зачета.
Продолжительность зачета - 1 час 00 минут. Билет состоит из двух теоретических вопросов. Для получения оценки «зачтено» достаточно дать полный ответ на один из теоретических вопросов и привести основные понятия по второму вопросу.