Geum.ru

Программа учебной дисциплины «Основы твердотельной и физической электроники» Специальность 013900 (СД. 04)

Вид материалаПрограмма

Содержание


Программа учебной дисциплины
1.2. Задачи курса
1.3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника
2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля
3. Содержание дисциплины
Твердотельные приборы.
Контактные явления
Полупроводниковые диоды.
Некоторые общие вопросы вакуумной электроники.
Электровакуумные приборы.
Лампы бегущей (и обратной) волны
3.2. Лабораторный практикум
Диоды Ганна
4. Учебно-методическое обеспечение курса
4.2. Активные методы обучения
Подобный материал:
Министерство образования Российской Федерации


Санкт - Петербургский государственный университет


Физический факультет



Рассмотрено и рекомендовано

на заседании кафедры

радиофизики
УТВЕРЖДАЮ

декан факультета

________________ А.С. Чирцов

Протокол от 18. 11. 2003 № 10

Заведующий кафедрой

_____________________Н.Н.Зернов





ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ


«Основы твердотельной и физической электроники»


Специальность 013900 (СД.04)

Направления 511500 (ОПД.Ф.06)


Разработчики:

доцент, канд.физ.-мат.наук _________________ И.И.Кононов


Рецензент:

доцент, канд.физ.-мат.наук _________________ Ю.М.Яневич


Санкт - Петербург - 2003 г.

1. Организационно-методический раздел


1.1. Цель изучения дисциплины: Обучение студентов основам твердотельной и вакуумной электроники, формирование у студентов общих представлений о физических процессах в электронных приборах и их функциональных возможностях.

1.2. Задачи курса: Изучение физических процессов в объеме полупроводников, в приграничных областях, разделяющих полупроводники с различными свойствами в статическом и динамическом режимах работы.

1.3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника:

Курс является одной из базовых дисциплин в подготовке высококвалифицированных специалистов и инженеров-исследователей по специальности 013900, а также базовым для усвоения последующих спецкурсов в рамках магистратуры.

1.4. Требования к уровню освоения дисциплины «Основы твердотельной и физической электроники»

- знать содержание дисциплины «Основы твердотельной и физической электроники» и иметь достаточно полное представление о возможностях применения его разделов в различных прикладных областях науки и техники;

- уметь самостоятельно анализировать физические процессы, происходящие в современных приборах твердотельной и вакуумной электроники.


2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля


Всего аудиторных занятий
36 часов

из них: - лекций
36 часов

Самостоятельная работа студента (курсовой работы по дисциплине нет)
30 часов

Итого (трудоемкость дисциплины)
66 часов




Изучение дисциплины по семестрам:



7 семестр: лекции - 36 ч., зачет.



3. Содержание дисциплины
    1. Разделы курса, их краткое содержание и виды занятий

Введение. Полупроводниковые и электровакуумные приборы, классификация, области использования.

Твердотельные приборы.

Некоторые общие вопросы теории полупроводников.

Основные свойства полупроводников, особенности движения электронов в поле кристаллической решетки, их параметры, энергетический спектр.

Плотность состояний и концентрация электронов и дырок в равновесном состоянии (для невырожденных и вырожденных полупроводников). Генерация неравновесных носителей заряда. Виды рекомбинации. Распространение неравновесных носителей заряда (основных и неосновных), уравнение неразрывности, длина Дебая, время максвелловской релаксации, роль неравновесных носителей заряда в работе полупроводниковых приборов.

Контактные явления.

Контакты металл-полупроводник. Объемные заряды и поля в обедненной области. Выпрямляющие и невыпрямляющие контакты. ВАХ перехода (диодная и диффузионная теории).

p-n переходы. Гомоструктурные и гетероструктурные типы переходов. p-n переход в равновесном состояниях, распределение потенциала и электрического поля в обедненной области, ее ширина. Неравновесное состояние перехода, его вольт-амперная характеристика (ВАХ). Барьерная и диффузионная емкости. Эквивалентная схема перехода и ее параметры.

Виды пробоев перехода (тепловой, туннельный, лавинный), особенности ВАХ в области пробоя.

Особенности работы перехода в импульсном режиме. Переходные процессы при переключении диода из нейтрального состояния в пропускное и наоборот.

Полупроводниковые диоды. Их функциональные возможности (выпрямительные, детекторные, регулирующие, импульсные диоды, стабилитроны, параметрические диоды, варикапы, диоды с накоплением заряда) и области использования.


Диоды с отрицательным дифференциальным сопротивлением:

-Туннельный диод. Качественная картина работы. Особенности ВАХ.

-Лавинно-пролетный диод. Принцип действия. Уравнение лавины. Эквивалентные схемы области умножения и области дрейфа. Типы ЛПД, режимы работы, характеристики и области использования.

-Диод Ганна. Качественная картина работы. Параметры. Режимы работы (доменный, с гашением домена, ОНОЗ).

Особенности и области использования диодов.

Биполярные транзисторы. Физика работы, эквивалентная схема, ее параметры. Частотные ограничения. Методы улучшения частотных свойств.

Полевые транзисторы. Принцип работы и эквивалентная схема, характеристики. Виды ПТ, пути и методы улучшения частотных свойств.

Некоторые общие вопросы вакуумной электроники.

Основные явления, используемые для усиления и генерации электромагнитных колебаний. Уравнения, описывающие взаимодействие волн с электронными потоками. Соотношение сил, вызванных электрическими и магнитными полями. Траектории движения электронов. Формирование электронных потоков. Электронные пушки.

Прохождение тока через электронные приборы. Уравнение наведенного тока (Шокли-Рамо). Сопоставление процессов на низких и высоких частотах. Принципы управления электронными потоками.

Наведенный ток в плоском зазоре. Коэффициент взаимодействия (потока с полем). Способы отбора энергии от электронов в резонансных и нерезонансных колебательных системах. Уравнение скоростной модуляции. Преобразование модуляции по скорости в модуляцию по плотности. Скоростная модуляция и группировка в нерезонансных устройствах.

Возбуждение колебаний в электродинамических системах. Фазовые и амплитудные условия самовозбуждения. Особенности возбуждения нерезонансных колебательных систем. Теорема наведения.

Режимы работы электронных приборов, усилителей и генераторов. Определение амплитуды и частоты генерации.

Электровакуумные приборы.

Клистроны. Особенности и разновидности. Принцип действия пролетного клистрона. Элементы кинематической теории клистронов. Пространственно-временная и фазовая диаграммы движения электронов, выражения для конвекционного и наведенного токов, активная электронная проводимость, зоны генерации, кпд. Принцип действия и особенности отражательного клистрона. Параметры и области использования клистронов.

Особенности движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Устройство магнетронов. Парабола критического режима. Виды колебаний, разделение видов. Взаимодействие электронов с ВЧ полем, электронные спицы. Фазовые условия самовозбуждения магнетрона, пороговые прямые. Параметры магнетронов (выходная мощность, кпд, частота генерации). Параметры и области использования промышленных магнетронов.

Магнетроны. Устройство, особенности движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Парабола критического режима. Виды колебаний, разделение видов. Взаимодействие электронов с ВЧ полем, электронные спицы. Фазовые условия самовозбуждения магнетрона, пороговые прямые. Параметры магнетронов (выходная мощность, кпд, частота генерации).

Лампы бегущей (и обратной) волны. Замедляющие системы, пространственные гармоники, их фазовые и групповые скорости. Разновидности и принцип действия ЛБВ О-типа. Характеристики и параметры ЛБВ (коэффициент усиления, частотная характеристика, кпд).

Современные направления и тенденции развития электровакуумных приборов.


3.2. Лабораторный практикум

Раздел 3.2 в данной программе отсутствует.
  1. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы
  1. Особенности движения электронов в поле кристаллической решетки.
  2. Законы распределения носителей в п/п. Понятие вырожденных и невырожденных п/п. Расчет равновесных концентраций. Закон действующих масс. Квазинейтральность.
  3. Неравновесные явления в п/п. Генерация и рекомбинация носителей. Обобщенное уравнение неразрывности. Максвелловская релаксация. Монополярная и биполярная диффузия. Эффект Дембера.
  4. р-п переходы. Виды переходов. Гомоструктурные и гетероструктурные переходы. Параметры обедненной области, ее толщина, распределение потенциала и электрического поля.
  5. Контакты металл-п/п, зонная структура, выпрямляющие и невыпрямляющие контакты.
  6. Разновидности, классификация и области использования п/п диодов (выпрямительные д., стабилитроны, импульсные, высокочастотные и СВЧ диоды, диоды с накоплением заряда, варикапы и параметрические диоды, p-i-n диоды. диоды с барьером Шоттки ). Схемы (эквивалентные) замещения диодов.
  7. Общие принципы работы лавино-пролетных диодов (ЛПД). Структура поля в диоде Рида. Механизм образования и уравнение лавины , процессы в области умножения и в области дрейфа, полный импеданс, виды ЛПД.
  8. Диоды Ганна, условия образования и форма домена сильного поля, правило равных площадей, импеданс цепи с диодом Ганна, режимы работы.
  9. Принцип действия и классификация биполярных транзисторов (БТ). Дрейфовые БТ, БТ с варизонной базой. Особенности мощных БТ.
  10. Физика работы полевых транзисторов (ПТ), эквивалентные схемы, статические и динамические параметры ПТ.
  11. Пути повышения быстродействия полупроводниковых приборов.
  12. Соотношение сил, вызванных электрическими и магнитными полями. Траектории движения электронов. Формирование электронных потоков. Электронные пушки.
  13. Влияние инерции электронов на работу электронных ламп. Время и угол пролета. Теорема о наведенном токе.
  14. Методы управления электронными потоками на сверхвысоких частотах. Электростатическое и динамическое управление.
  15. СВЧ приборы с длительным взаимодействием. Замедляющие структуры. Пространственные гармоники. Группировка электронов в поле бегущей волны.
  16. Многорезонаторный магнетрон. Структура высокочастотного поля в пространстве взаимодействия. Парабола критического режима. Группировка электронов в скрещенных электрических и магнитных полях.
  17. Современные направления и тенденции развития твердотельных и электровакуумных приборов.
    1. Примерный перечень вопросов к зачету по всему курсу
  1. Основные свойства полупроводников, элементы зонной теории. Модель Кронига-Пенни. Понятия квазиимпульса и эффективной массы. Особенности зонной структуры реальных п/п..
  2. Плотность состояний и концентрация электронов и дырок в равновесном состоянии (для невырожденных и вырожденных полупроводников).
  3. Распространение неравновесных носителей заряда (основных и неосновных), уравнение неразрывности, роль неравновесных носителей заряда в работе полупроводниковых приборов.
  4. Объемные заряды и поля в обедненной области контакта металл-полупроводник, ВАХ перехода (диодная и диффузионная теории).
  5. p-n переход в равновесном состояниях, распределение потенциала и электрического поля в обедненной области, ее ширина.
  6. Неравновесное состояние p-n перехода, его вольт-амперная характеристика (ВАХ).
  7. Виды пробоев перехода, особенности ВАХ в области пробоя.
  8. Особенности работы перехода в импульсном режиме.
  9. Функциональные возможности полупроводниковых диодов.
  10. Качественная картина работы туннельного диода. Особенности ВАХ.
  11. Принцип действия и линейная теория лавинно-пролетного диода.
  12. Качественная картина работы диода Ганна в различных режимах работы.
  13. Физика работы биполярного транзистора, параметры его эквивалентной схемы.
  14. Принцип работы и эквивалентная схема полевого транзистора.
  15. Основные явления, используемые для усиления и генерации электромагнитных колебаний. Уравнения, описывающие взаимодействие волн с электронными потоками.
  16. Прохождение тока через электронные приборы, уравнение наведенного тока (Шокли-Рамо), расчет наведенного тока в плоском зазоре.
  17. Уравнение скоростной модуляции, особенности модуляции и группировки в нерезонансных устройствах.
  18. Режимы работы электронных приборов, усилителей и генераторов, определение амплитуды и частоты генерации.
  19. Кинематическая теория пролетного клистрона.
  20. Принцип действия и особенности отражательного клистрона.
  21. Особенности движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях магнетрона.
  22. Элементы линейной теории лампы бегущей волны О-типа. Характеристики и параметры ЛБВ (коэффициент усиления, частотная характеристика, кпд).


4. Учебно-методическое обеспечение курса
    1. Перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ, диафильмов, слайдов фильмов, кино и видео- фильмов

По желанию лектора при изложении части тем применяется проектор для демонстрации слайдов.

4.2. Активные методы обучения

В данном курсе используются классические аудиторные методы.

4.3. Материальное обеспечение дисциплины, технические средства обучения и контроля

Стандартно оборудованные лекционные аудитории.


4.4. Литература
      1. Основная
  1. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников, М., 1990.
  2. Зи С. Физика п/п приборов, тт.1,2, М., МИР, 1984.
  3. Стенпаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем, М., 1977.
  4. Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов. Томск, 2000.
  5. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ, ч.1,2, М., 1972.
  6. Березин В.М. и др. Электронные приборы СВЧ, М.: Энергия, 1985.



      1. Дополнительная
  1. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. М., Энергоатом издат, 1990.
  2. Левинштейн М.Е. и др. Эффект Ганна, М., 1975.
  3. 3. Милнс А., Фойхт Д. Гетеропереходы и преходы металл-полупроводник. М., Мир, 1975.
  4. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М. Радио и связь, 1990.
  5. Епифанов Г.И., Мома Ю.А. Твердотельная электроника, М., 1986.
  6. Электронные и квантовые приборы и микроэлектроника. (ред. Федоров Н.Д.). М. 1998.
  7. Гайдук В.И., Палатов К.И., Петров Д.И. Физические основы электроники сверхвысоких частот. М. Сов. радио, 1971.
  8. Электронные приборы сверхвысоких частот. Ред. Шевчик В.Н. и Григорьев М.А., Саратов, 1980.




 При наличии по дисциплине курсовой работы, в разделе "Самостоятельная работа" указывается среднее, ориентировочное время, необходимое студенту на выполнение курсовой работы.