Программа, контрольное задание
| Вид материала | Программа |
- Контрольное задание Тематика и методические указания к его выполнению для студентов, 75.93kb.
- Контрольное задание представляет собой реферативное исследование возможностей автоматизации, 82.16kb.
- Методические указания по выполнению контрольного задания контрольное задание по темам, 515.04kb.
- Методические указания к выполнению контрольного задания в форме реферата Контрольное, 272.86kb.
- Контрольное задание по цсп. Задание №27, 38.81kb.
- Контрольное задание №5 По социологии, 430.47kb.
- Кочкина Валентина Фроловна, адрес эл почты: KochkinaVF@mail ru Объем реферат, 40.1kb.
- Предварительное планирование презентации 17 Время доклада 18 Упражнение для самопроверки, 2417.56kb.
- Контрольное задание 2 по теме «создание мультимедиа проекта», 121.72kb.
- Контрольное задание 3 Задача 1 Дешифратор на элементах и-не, или-не. Схема электронной, 117.56kb.
Основная
1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие для вузов / Под ред. Н.Д. Федорова. М.: Радио и связь, 2002.
2. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электро-ника: Учебное пособие. СПб: Питер, 2003.
3. Бочаров Е.И., Гогоберидзе Г.Б., Першин Ю.М., Петров К.С., Штагер А.П. Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника: Конспект лекций / СПбГУТ. СПб, 2003. Ч.1.
31
Материалы пленочных резисторов Таблица 1
| Материал | Удельное сопротивление ρS , Ом / квадрат | Способ напыления |
| Нихром Сплав РС3001 Кермет | 300 1 000…2 000 3 000…10 000 | Термическое |
| Тантал Нитрид тантала Сплав РС3710 | 20…100 200 300…3 000 | Катодное |
Диэлектрики пленочных конденсаторов Таблица 2
| Материал | Удельная емкость С0, пФ / см2 | Способ напыления |
| Моноокись кремния Моноокись германия | 5 000…10 000 5 000…15 000 | Термическое |
| Двуокись кремния Окись тантала | 20 000 50 000…100 000 | Катодное |
Размеры подложек гибридных интегральных схем Таблица 3
| Длина, мм | 10 | 12 | 16 | 20 | 24 | 30 | 48 | 60 |
| Ширина, мм | 8 | 10 | 10 | 16 | 20 | 24 | 30 | 48 |
30
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью преподавания дисциплины «Электроника» является изучение студентами принципов работы и основ применения полу-проводниковых, электровакуумных и оптоэлектронных приборов, конст-руктивно-технологических и схемотехнических основ микроэлектроники.
Основные задачи дисциплины:
- ознакомление с основными параметрами, математическими моделями и эквивалентными схемами полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов;
- изучение основ применения полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов в аналоговых и цифровых схемах;
- ознакомление с конструкциями гибридных и полупровод-никовых интегральных схем, особенностями интегральных элементов, базовыми технологическими операциями, используемыми при создании интегральных схем;
- изучение основ схемотехники аналоговых и цифровых ин-тегральных схем.
В результате изучения дисциплины студент должен знать:
- основные типы полупроводниковых диодов, их харак-теристики, параметры, эквивалентные схемы, особенности работы на высоких частотах и в импульсном режиме;
- принципы работы, характеристики, параметры и эквивалент-ные схемы биполярных и полевых транзисторов, особенности их работы на высоких частотах и в импульсном режиме;
- основы применения биполярных и полевых транзисторов в аналоговых и цифровых схемах;
- устройства, принципы работы, характеристики, параметры и основы применения полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением;
- конструкции гибридных и полупроводниковых интегральных схем, особенности характеристик и параметров интегральных эле-ментов;
- базовые ячейки и основные усилительные каскады, лежащие в основе схемотехники аналоговых интегральных схем, структурные схемы, параметры и основы применения операционных усилителей;
3
- электронные ключи и базовые логические элементы циф-ровых интегральных схем;
- основные типы полупроводниковых оптоэлектронных прибо-ров, их характеристики, параметры и основы применения.
В результате изучения дисциплины студент должен уметь:
- находить в справочной литературе основные характеристики и параметры полупроводниковых диодов, биполярных и полевых тран-зисторов, оценивать их влияние на параметры схем, в которых они используются;
- изображать схемы основных усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, проводить графический и аналитический расчеты их параметров, сопоставлять усилительные свойства транзисторов в различных схемах включения;
- изображать схемы электронных ключей и базовых логических элементов цифровых интегральных схем, объяснять их принципы работы и определять основные характеристики и параметры, со-поставлять параметры различных базовых логических элементов.
ПРОГРАММА
Полупроводниковые диоды
Математические модели и эквивалентные схемы полупро-водниковых диодов. Динамический и импульсный режимы работы диодов. Различные типы полупроводниковых диодов. Выпрямительные, высокочастотные, импульсные диоды. Стабилитроны. Варикапы.
Материал изложен в [1, п. 3,6 – 3.8, гл.4; 2, гл. 3; 3, п. 2.7, 2.8; 6, гл. 3].
Основы применения биполярных транзисторов
в аналоговых и цифровых схемах
Применение биполярных транзисторов для усиления электри-ческих сигналов. Графический расчет усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Малосигнальные параметры и формальные эквивалентные схемы (схемы замещения) транзистора. Малосигнальные физические эквивалентные схемы транзистора. Использование эквивалентных схем транзистора для аналитического расчета усилительных каскадов в режиме малых сигналов. Сравнение усилительных свойств биполярного транзистора в различных схемах включения.
4
4. При выборе материалов резистивной и диэлектрической пленок следует исходить из того, что для обеспечения максимальной степени интеграции резисторы и конденсаторы должны занимать на подложке минимальную площадь. Поэтому, чем выше сопротивления используемых в заданной схеме резисторов, тем большее удельное поверхностное сопротивление ρS должен иметь выбранный материал. Выбрав материал резистивной пленки и определив с помощью таб-лицы 1 его удельное сопротивление *, необходимо в соответствии с выражением [4, (5.2)] определить коэффициенты формы резисто- ров КФ. При выборе материала следует также иметь в виду, что резисторы с КФ < 0,1 и КФ > 50 не используются.
Аналогичным образом следует выбрать материал диэлек-трической пленки для изоляции обкладок конденсаторов и с помощью таблицы 2 определить его удельную емкость С0 = 0,0885 ε / d *. По фор-муле [4, (5.3)] необходимо определить площади перекрытия обкладок конденсаторов S.
5. Выбор формы резисторов зависит от коэффициента фор- мы: при КФ ≤10 резисторы имеют прямоугольную форму, при больших КФ резисторы выполняются в форме меандра [4, рис. 5.1, 5.2]. При определении размеров резисторов следует исходить из минимально допустимой ширины резистивной пленки, равной bМИН =100 мкм и определить длину резистора. В тех случаях, когда полученная длина резистора оказывается меньше минимально допустимой длины, равной lМИН = 500 мкм, следует задаваться минимальной длиной и определять ширину резистора.
Пленочные конденсаторы могут иметь как прямоугольную (квад-ратную) форму, так и более сложную форму, например Г- или П-образную. Выбор формы диктуется удобством расположения элементов на подложке. При выборе размеров конденсатора следует учитывать, что нижняя обкладка конденсатора должна выступать за край верхней не менее чем на 200 мкм, а диэлектрическая пленка должна выступать за край нижней обкладки не менее чем на 100 мкм.
После того, как определены размеры всех пленочных элемен-тов, необходимо вычислить суммарную площадь элементов схемы (включая площади операционного усилителя и контактных площа- док) SΣ и определить примерную площадь подложки SП, полагая SП = (2…3)SΣ. С помощью таблицы 3 следует выбрать стандартную подложку, размеры которой соответствуют полученной площади SП.
*
29
В тех случаях, когда заданные в таблицах значения ρS и С0 имеют определенный диапазон изменения, можно выбирать любое значение из этого диапазона, полагая, что данное значение обес-печивается необходимым выбором длительности процесса напыления и, соответственно, толщиной напыляемой пленки.
Рис. 7. Схемы аналоговых устройств
28
Особенности работы биполярных транзисторов на высоких частотах. Сравнение динамических свойств транзистора в схемах ОБ и ОЭ. Дрейфовый транзистор. Импульсный режим работы биполярного транзистора.
Материал изложен в [1, п. 5.5 – 5.8; 2, п. 4.6 – 4.10; 3, п. 3.8 – 3.12].
Основы применения полевых транзисторов
в аналоговых и цифровых схемах
Модели и эквивалентные схемы полевых транзисторов. Частотные свойства полевых транзисторов. Применение полевых транзисторов для усиления электрических сигналов. Аналитический расчет усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОИ. Импульсный режим работы полевого транзистора.
Материал изложен в [1, п. 7,6; 2, п. 5.4, 5.5; 4, п. 4.4].
Полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением
Особенности вольтамперных характеристик S- и N-типов. Фи-зический смысл отрицательного дифференциального сопротивления. Структура, принцип работы и ВАХ диодного тиристора. Триодный тиристор. Применение тиристоров. Однопереходный транзистор. Туннельный диод. Лавинно-пролетный диод.
Материал изложен в [1, п. 4.6, гл. 6,18; 2, п. 3.8, 4.12; 3, п. 3.13; 6, 3.28 – 3.30, гл. 5].
Конструктивно-технологические основы микроэлектроники
Основные понятия микроэлектроники. Гибридные интегральные схемы. Пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности. Активные элементы гибридных интегральных схем. Тонкопленочные и толсто-пленочные схемы.
П
5
олупроводниковые интегральные схемы. Способы изоляции интегральных элементов. Базовые биполярные n-p-n-транзисторы полупроводниковых интегральных схем (эпитаксиально-планарный и изопланарный) и их эквивалентная схема. Транзисторы с диодом Шотки, многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, транзисторы p-n-р-структуры. Интегральные диоды, резисторы и конденсаторы. МДП-транзисторы полупроводниковых интегральных схем.
Базовые технологические операции, используемые при создании интегральных схем. Особенности больших интегральных схем.
Материал изложен в [1, гл. 8,9; 2, гл. 6; 4, гл. 5; 7, гл. 6,7; 9, гл. 1 - 6].
Основы схемотехники аналоговых интегральных схем
Базовые ячейки аналоговых интегральных схем. Составные транзисторы, генераторы стабильного тока, динамическая нагрузка, схемы сдвига потенциального уровня. Усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах. Дифференциальные усили-тельные каскады. Повторители напряжения. Выходные каскады аналоговых интегральных схем.
Операционные усилители – основа элементной базы анало-говых интегральных схем. Структура и основные параметры опера-ционных усилителей. Применение операционных усилителей. Специ-ализированные интегральные схемы, используемые в аппаратуре связи.
Материал изложен в [1, гл. 10; 2, гл. 7; 5, гл. 6; 7, гл. 9].
Основы схемотехники цифровых интегральных схем
Электронные ключи на биполярных и МДП-транзисторах. Статическая передаточная характеристика транзисторного ключа. Основные параметры цифровых интегральных схем.
Логические операции и логические элементы – основа схемо-техники цифровых интегральных схем. Транзисторная логика с непосредственными связями и ее варианты. Диодно-транзисторная и транзисторно-транзисторная логики. Эмиттерно-связанная логика. Интегральная инжекционная логика. Логические элементы на однотипных МДП-транзисторах. Логические элементы на ком-плементарных МДП-транзисторах.
Материал изложен в [1, гл.11; 2, гл.8; 5, гл. 7; 7, гл. 8,10].
Оптоэлектронные приборы
Классификация полупроводниковых оптоэлектронных прибо-ров. Фотоприемники: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор. Источники излучения: светодиод, полупроводниковый лазер. Оптопары. Оптоэлектронные интегральные схемы. Индика-торные приборы. Применение оптоэлектронных приборов.
М
6
атериал изложен в [1, п. 14.2 - 5; 2, п. 9.2; 6, гл. 9; 8, гл. 7; 9, п. 13.1].
27
6. Неинвертирующий ФВЧ
26
Перспективы развития электроники
Проблемы повышения степени интеграции интегральных схем. Функциональная электроника – перспективное направление в микро-электронике. Элементы функциональной электроники на поверх-ностных акустических волнах, на цилиндрических магнитных доменах, на основе эффекта Ганна. Приборы с зарядовой связью. Применение базовых матричных кристаллов и программируемых логических мат-риц. Наноэлектроника.
Материал изложен в [1, гл. 12; 2, п. 5.6, гл. 9; 6, п. 6.8, 6.9, гл. 8; 9, гл. 11, п.13.2, 13.3].
ОБЗОРНЫЕ ЛЕКЦИИ (12 ч)
- Установочная лекция (читается перед началом семестра).
Программа дисциплины «Электроника». Рекомендуемая литература. Контрольное задание и методические указания к его решению (2 ч).
2. Применение биполярного транзистора для усиления элект- рических сигналов. Усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Малосигнальные параметры и эквивалентные схемы транзистора. Особенности работы транзистора на высоких частотах и в импульсном режиме (3 ч).
3. Усилительный каскад на полевом транзисторе, включенном по схеме ОИ. Особенности работы полевых транзисторов на высоких частотах и в импульсном режиме (1 ч).
4. Конструкции гибридных и полупроводниковых интегральных схем. Особенности конструкции, характеристик и параметров интег-ральных элементов (1 ч).
5. Базовые ячейки аналоговых интегральных схем. Усилительные каскады аналоговых интегральных схем на биполярных и полевых транзисторах. Структура, основные параметры и приме-нение операционного усилителя (3 ч).
6. Электронные ключи на биполярных и МДП-транзисторах. Базовые логические элементы цифровых интегральных схем (2 ч).
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (6 ч)
1. Исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенном по схеме ОЭ.
2. Исследование операционного усилителя.
3. Исследование транзисторно-транзисторной логики.
7
КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
| № вар | № схемы | Элементы схемы | Способ напыле- ния | |||||
| R1 кОм | R2 кОм | R3 кОм | R4 кОм | С1 пФ | С2 пФ | |||
| 1 | 1 | 5 | 10 | 10 | 100 | 100 | - | Катодное |
| 2 | 2 | 10 | 20 | 30 | 200 | 100 | - | Термическое |
| 3 | 3 | 10 | 10 | 10 | - | 30 000 | - | Катодное |
| 4 | 4 | 10 | 20 | 20 | 100 | 20 000 | - | Термическое |
| 5 | 5 | 20 | 20 | 20 | 40 | 5 000 | 2 500 | Катодное |
| 6 | 6 | 20 | 40 | 20 | 40 | 5 000 | 5 000 | Термическое |
| 7 | 7 | 10 | 10 | 10 | - | 500 | 20 000 | Катодное |
| 8 | 8 | 10 | 100 | 20 | - | 10 000 | - | Термическое |
| 9 | 9 | 10 | 1 | 100 | - | 10 000 | 10 000 | Катодное |
| 10 | 10 | 2 | 10 | 50 | - | 30 000 | - | Термическое |
| 11 | 11 | 20 | 4 | 100 | 100 | 10 000 | 10 000 | Катодное |
| 12 | 12 | 10 | 10 | 1 | 1 | 100 | - | Термическое |
| 13 | 13 | 10 | 10 | 100 | 100 | 100 | - | Катодное |
| 14 | 14 | 10 | 100 | - | - | 50 000 | 50 000 | Термическое |
| 15 | 15 | 10 | 100 | 100 | - | 100 | - | Катодное |
| 16 | 1 | 5 | 10 | 10 | 100 | 100 | - | Термическое |
| 17 | 2 | 10 | 20 | 30 | 200 | 100 | - | Катодное |
| 18 | 3 | 10 | 10 | 10 | - | 30 000 | - | Термическое |
| 19 | 4 | 10 | 20 | 20 | 100 | 20 000 | - | Катодное |
| 20 | 5 | 20 | 20 | 20 | 40 | 5 000 | 2 500 | Термическое |
| 21 | 6 | 20 | 40 | 20 | 40 | 5 000 | 5 000 | Катодное |
| 22 | 7 | 10 | 10 | 10 | - | 500 | 20 000 | Термическое |
| 23 | 8 | 10 | 100 | 20 | - | 10 000 | - | Катодное |
| 24 | 9 | 10 | 1 | 100 | - | 10 000 | 10 000 | Термическое |
| 25 | 10 | 2 | 10 | 50 | - | 30 000 | - | Катодное |
| 26 | 11 | 20 | 4 | 100 | 100 | 10 000 | 10 000 | Термическое |
| 27 | 12 | 10 | 10 | 1 | 1 | 100 | - | Катодное |
| 28 | 13 | 10 | 10 | 100 | 100 | 100 | - | Термическое |
| 29 | 14 | 10 | 100 | - | - | 50 000 | 50 000 | Катодное |
| 30 | 15 | 10 | 100 | 100 | - | 100 | - | Термическое |
Первое задание посвящено расчету простейших усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах графическим и аналитическим методами. Второе задание посвящено построению статической передаточной характеристики электронных ключей на биполярных и МДП-транзисторах и расчету их основных параметров. Оба первых задания содержат по три задачи, причем каждому студенту необходимо решить по одной из задач, номера которых для каждого варианта указаны в таблицах исходных данных к заданиям. В ходе выполнения третьего задания все студенты решают одну задачу, посвященную разработке топологии гибридной интегральной схемы на основе бескорпусного операционного усилителя.
Таким образом, в ходе выполнения каждого задания студенты решают по одной задаче. Значения элементов схем и необходимые для расчета масштабные коэффициенты приведены в таблицах исходных данных к заданиям. Условия решаемых задач и методические указания к их решению, а также рекомендуемая литература приведены ниже.
Контрольное задание должно быть аккуратно оформлено в отдельной тонкой тетради. Выполнение каждой задачи следует начинать с новой страницы. Для каждой задачи следует записать условия и исходные данные. В тексте необходимо оставлять поля для замечаний рецензента. Проверенное рецензентом контрольное задание представляется к защите, которая проводится в ходе экзамена. Студент допускается к экзамену при наличии выполненных лабораторных работ и допущенного к защите контрольного задания.
Внимание! Контрольные задания, в которых исходные данные и условия задач не соответствуют рассчитанному номеру варианта или номер варианта рассчитан неверно, не рецензируются и возвращаются на переделку.
Для того чтобы контрольное задание было проверено рецензентом к началу экзаменационной сессии, оно должно быть выслано на проверку (с учетом реальных сроков пересылки корреспонденции почтой) не позднее начала мая.
8
Исходные данные к заданию 3
25
ЗАДАНИЕ 3
Дано: На рис. 7 представлены схемы различных аналого-
вых устройств на основе операционного усилителя. Но-
мер схемы и значения ее элементов, а также способ на-
пыления тонких пленок приведены для каждого варианта
в таблице исходных данных. Обозначение выводов и раз-
меры бескорпусного операционного усилителя приведе-
ны на рис. 8.
Требуется: Разработать топологию тонкопленочной гибридной
интегральной схемы, реализующей данное устройство
на основе бескорпусного операционного усилителя, и на-
рисовать чертеж топологии в масштабе 10:1.
Методические указания
1. Изучить особенности конструкции тонкопленочных гибрид-ных интегральных схем и основные способы напыления тонких пленок, используемые при их создании [1, п. 9.6 и п. 8.2.7]; [2, п. 6.1, 6.6]; [4, п.5.2, 5.4]; [7, п. 6.8, 6.11, 7.11].
2. Нарисовать схему заданного аналогового устройства, при-вести обозначения выводов и размеры бескорпусного операционного усилителя.
3. Разработка топологии гибридной интегральной схемы, т.е. схемы (плана) расположения всех элементов, соединительных про-водников и контактных площадок на подложке включает два основных этапа.
На первом этапе для заданного способа напыления тонких пленок выбираются материалы для создания резистивных пленок и диэлектрической изоляции обкладок конденсаторов и производится расчет основных топологических параметров резисторов и конденса-торов. Определяются форма и размеры резисторов и конденсаторов, а также выбираются размеры подложки.
На втором этапе на подложке выбираются места для расположения пленочных элементов и операционного усилителя, места для контактных площадок под внешние выводы и под выводы операционного усилителя, выбирается конфигурация соединительных пленочных проводников, указываются соединения выводов операци-онного усилителя с контактными площадками.
24