Учебное пособие 164
.pdf
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по самостоятельной работе по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники» направление 211000.62 "Конструирование и технология электронных средств" (профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств») всех форм обучения
Воронеж 2015
Составители: канд. техн. наук А.В. Турецкий, канд. техн. наук Н.В. Ципина, канд. техн. наук А.А. Пирогов
УДК 621.3.049.7.002 (075)
Методические указания по самостоятельной работе по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники» направление 211000.62 "Конструирование и технология электронных средств" (профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств») всех форм обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; cост., А.В. Турецкий, Н.В. Ципина, А.А. Пирогов. Воро-
неж, 2015. 32 с.
Методические указания содержат рабочую программу и контрольное задания по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники», составленные в соответствии с учебным планом для бакалавров направление 211000.62 "Конструирование и технология электронных средств" профиль «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»
Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле SRS IUR.doc.
Табл. 4. Библиогр.: 4 назв.
Рецензент д-р техн. наук, проф. А.В. Башкиров Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук,
проф. А.В. Муратов
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015
2
ЦЕЛЬ ПРЕПОДАВАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является получение студентами знаний о структуре, принципах работы и особенностях применения интегральных устройств, входящих в состав современных интегральных схем (ИС), а также областях и особенностях применения ИС в радиоэлектронных средствах.
Основными задачами при изучении дисциплины являются теоретическое изучение устройства интегральных структур, физических принципов работы, характеристик и особенностей применения ИС в производстве РЭС и получение навыков использования современных САПР при проектировании РЭС.
Требования к уровню освоения содержания дисципли-
ны.
Студент должен знать:
-принципы действия, параметры и характеристики интегральных устройств, применяемых в радиоэлектронике;
-модели интегральных структур и особенности их применения в современных программах схемотехнического моделирования и проектирования.
Студент должен уметь:
-применять полученные знаний при разработке радиоэлектронных устройств, имеющих в своем составе различные ИС;
-приобретать практические навыки использования моделей при исследовании работы интегральных устройств, а также в ходе схемотехнического проектирования.
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины следующие
ПК-6 Способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии.
ПК-19 Способностью моделировать объекты и процессы, используя стандартные пакеты автоматизированного проектирования и исследования.
ВК-1 Способностью проектировать элементы и устройства РЭС основанные на различных физических принципах действия.
1. ВИДЫ УЧЕБНЫХ ЗАНЯТИЙ, ФОРМЫ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ И ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Студенты заочного обучения изучают дисциплину «Интегральные устройства радиоэлектроники» (ИУР) в течение одного семестра.
Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при изучении физики, высшей математики, основ радиоэлектроники и др.
Распределение видов учебных занятий и контрольных мероприятий по семестрам для заочной нормативной и сокращенной форм обучения приведено в табл. 1.
Таблица 1
Распределение видов учебных занятий
|
Количество часов и се- |
|
Вид занятий |
местр |
|
|
8 |
|
|
|
|
Общая трудоемкость |
144 |
|
Аудиторные занятия |
60 |
|
Лекции |
24 |
|
Лабораторные занятия |
24 |
|
Практические занятия |
12 |
|
Самостоятельная работа |
48 |
|
Рубежи контроля знаний |
Экзамен |
|
Курсовая работа |
||
|
2
Темы рабочей программы, количество лекционных часов и количество часов самостоятельной работы студентов на каждую из тем приведены в табл. 2.
Таблица 2 Темы рабочей программы, количество лекционных часов
|
|
|
|
Вид учебной нагрузки и их |
|||||
|
|
|
|
трудоемкость в часах |
|||||
№ |
Наименование раздела |
Неде- |
Лекции |
Практические занятия |
Лабораторные. работы |
|
Всего часов |
||
ля се- |
|
||||||||
П./п |
дисциплины |
СРС |
|||||||
местра |
|||||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
Биполярные структуры |
1-2 |
4 |
2 |
10 |
8 |
18 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Структуры на |
полевых |
3-5 |
6 |
3 |
4 |
12 |
25 |
|
транзисторах |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3 |
Оптоэлектронные приборы |
6-7 |
4 |
2 |
4 |
8 |
18 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4 |
Элементы Джозефсона |
8 |
2 |
1 |
0 |
4 |
11 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
Акустооптические |
устрой- |
9-10 |
4 |
2 |
4 |
8 |
18 |
|
ства |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6 |
Акустоэлектронные устрой- |
11-12 |
4 |
2 |
4 |
8 |
18 |
||
ства |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Итого |
|
|
24 |
12 |
24 |
48 |
108 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. ПРОГРАММА КУРСА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
2.1. Содержание разделов дисциплины
1. Введение Цель и задачи курса. Основные понятия и определения.
Особенности применения ИС и БИС в приборостроении. Классификация ИС по характеру обрабатываемых сигналов, степе-
3
ни интеграции, области применения. Тенденции развития твердотельной электроники и микроэлектроники.
2. Биполярные структуры. Устройство и основные физические процессы биполярного транзистора. Входные, выходные вольтамперные характеристики и параметры различных схем включения.
Самостоятельное изучение
Мощные транзисторы структуры IGBT. Принцип действия и параметры. Особенности конструкции биполярного транзистора в интегральной схеме, основные технологические операции изготовления.
Понятие модели. Классификация моделей. Характеристики моделей.
Математическая модель биполярного транзистора. Схема замещения биполярного транзистора, назначение
элементов схемы замещения. Основные математические соотношения модели Эберса-Молла. Методы определения электрофизических параметров модели биполярного транзистора.
3. Структуры ИС на полевых транзисторах, МДПструктуры МДП-транзистор с индуцированным каналом. Принцип работы МДП-транзистора с индуцированным каналом. Выходная и проходная ВАХ на примере схемы с общим истоком.
Самостоятельное изучение
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом Основные физические процессы, протекающие в тран-
зисторе с управляющим p-n переходом. Вольтамперные характеристики (ВАХ), параметры. МДП транзистор со встроенным каналом. Режимы работы, характеристики и параметры МДП транзистора со встроенным каналом Современные технологии производства МДПструктур. Дифференциальные параметры. Инерционные свойства МДП-транзисторов. Конструктивно-
4
технологическая реализация МДП транзистора. Математическая модель МДП-транзистора. Схема замещения МДПтранзистора. Назначение элементов схемы замещения, аппроксимирующих распределенные параметры в структуре. Уравнения модели.
4. Устройства на основе МДП транзистора Структура ячейки быстродействующей электрически
перепрограммируемой памяти на основе МДП-транзистора. Структура прибора с зарядовой связью (ПЗС).
Самостоятельное изучение
Принцип работы и параметры Flash-памяти. Применение твердотельной энергонезависимой памяти в РЭС. Приборы с зарядовой связью. Режимы работы затворов ПЗС, принцип последовательной передачи информации в ПЗС. Структура фото-ПЗС сенсора. Перспективы развития ПЗС. ПЗС матрицы для приема фотоизображений. Организация ПЗС матриц с кадровым и межстрочным переносом, достоинства и недостатки, области применения. Характеристики и параметры ПЗСматриц, пути их улучшения. Прием цветного изображения. Современные устройства памяти.
5. Структуры сверхбольших ИС Самостоятельное изучение. Особенности использования
элементов группы АIIIBV в составе ИС. Области применения ИС группы АIIIBV.
6. Элементы на основе сверхпроводящих материалов
Особенности протекания тока в сверхпроводниках. Объяснение явления сверхпроводимости и особенность протекания тока в сверхпроводниках. Туннельный эффект в сверхпроводниках.
5
Самостоятельное изучение Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсо-
на. Сущность стационарного и нестационарного эффектов Джозефсона. Фундаментальное соотношение Джозефсона. ВАХ элементов Джозефсона. Тенденции развития сверхпроводящих элементов Джозефсона. Применение элементов Джозефсона. Сверхпроводящие квантовые интерферометры. Область применения и параметры. Цифровые устройства быстрой одноквантовой логики. Перспективы применения.
7.Некогерентные оптоэлектронные полупроводниковые устройства
Генерация оптического излучения в полупроводниках. Сущность люминесценции в полупроводниках. Материалы полупроводниковых излучателей оптического диапазона.
Самостоятельное изучение Светоизлучающие диоды. Структура светоизлучающего диода (СИД). Характеристики и параметры СИД. Светодиоды, применяемые для индикации и передачи информации. Фотодиоды. Основные физические процессы, протекающие в фотодиоде. Режимы работы фотодиодов. Характеристики и параметры. Быстродействующие фотодиоды со структурой p-i-n. Перспективные оптоэлектронные устройства.
8.Лазерные источники в интегральной оптике Полупроводниковые лазеры. Принцип лазерного усиле-
ния и генерации оптического излучения.
Самостоятельное изучение Устройство полупроводникового инжекционного лазера. Параметры полупроводниковых лазеров. Применение лазеров для записи, считывания, передачи информации. Перспективные разработки с применением лазеров.
6
9.Акустооптическое взаимодействие и устройства на его основе
Взаимодействие света с ультразвуковой волной.Устройство акустооптической ячейки. Дифракция РаманаНата и Брэгга.
Самостоятельное изучение Материалы, применяемые в акустооптике. Характеристики и параметры. Акустооптические дефлекторы, модуляторы, фильтры, процессоры, корреляторы. Устройство, принцип действия, параметры и область применения акустооптических дефлекторов, сканеров и модуляторов. Преимущества акустооптических процессоров и фильтров, области применения.
10.Устройства для обработки сигналов на ПАВ
Принцип работы устройств на ПАВ. Принцип работы устройств на ПАВ на примере линии задержки. Основные физические процессы.
Самостоятельное изучение Амплитудно-частотная характеристика линии задержки. Основные элементы акустоэлектронных устройств. Устройство, параметры и назначение преобразователей, звукопроводов, ответвителей, отражательных структур, волноводов и концентраторов. Материалы, применяемые в акустоэлектронике. Характеристики и параметры. Линии задержки на ПАВ. Классификация линий задержки на ПАВ. Линии задержки с однократной задержкой, физические процессы, характеристики и параметры. Многоотводные линии задержки, Дисперсионные линии задержки. Фильтры, резонаторы на ПАВ. Параметры и характеристики фильтров на ПАВ. Способы получения требуемых параметров и АЧХ при проектировании фильтров. Метод внешнего и непосредственного взвешивания для аподизации встречно штыревых преобразователей. Устройство и характеристики резонаторов на ПАВ. Применение резонаторов на ПАВ.
7
2.2Методические указания к темам и контрольные во-
просы
Методические указания к теме 1
Интегральные устройства являются универсальным средством при решении самых различных задач в области сбора и преобразования, записи и хранения информации, управления, преобразования энергии. Они входят в состав практически всех современных радиоэлектронных средств. Знания о принципах работы, характеристиках и параметрах интегральных устройств необходимы современному специалисту, занимающемуся разработкой радиоэлектронных средств.
Современные интегральные устройства включают в себя широкий спектр электронных приборов, работающих на основе различных физических эффектов. Кроме полупроводниковых приборов сюда входят акустоэлектронные, оптоэлектронные, акустооптические приборы, элементы криоэлектроники.
В зависимости от степени интеграции различают следующие виды ИС: малая интегральная схема (МИС), средняя интегральная схема (СИС), большая интегральная схема (БИС), сверхбольшая интегральная схема (СБИС), ультрабольшая интегральная схема (УБИС), гигабольшая интегральная схема (ГБИС).
По технологии изготовления различают:
-полупроводниковую микросхему — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия);
-плѐночную микросхему — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плѐнок (толстоплѐночная интегральная схема, тонкоплѐночная интегральная схема);
-гибридную микросхему — кроме полупроводникового кристалла содержит несколько бескорпусных элементов и (или компонентов) и (или) кристаллов.
8