Учебно-методический комплекс по дисциплине «микроэлектроника». Дисциплина «микроэлектроника»

По дисциплине «МИКРОЭЛЕКТРОНИКА».

Дисциплина «МИКРОЭЛЕКТРОНИКА» входит цикл общепрофессиональных дисциплин направления 210100 «Электроника и микроэлектроника» и специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная микроэлектроника»

Курс 4 – Семестр 7; Экзамен – 7 сем, Зачет – 7 сем.

Всего часов по дисциплине: 120

Аудиторные занятия: 60 часов.

Лекции – 30 час.

Лабораторно-практические занятия 30 час.

Самостоятельная работа – 60 час

1. ВВЕДЕНИЕ.

Данная дисциплина является основной теоретической дисципли­ной направления и специальности, базой для изучения последующих общепрофессиональных и технологических дисциплин.

Для освоения дисциплины необходимо знание математики, ин­форматики, физики, блока химических дисциплин, физики твердого тела, физической химии материалов и элементов электронной техники в объемах, предусмотренных ГОС.

1.1.цель преподавания дисциплины:

Изучение физики электронных процессов в полупроводниках и электрических переходах и принципов построения и работы микросхем.

Освоение физических основ работы микросхем, методов анализа электронных процессов в приборах и расчета их параметров и характеристик. Выявление связей между принципами работы, параметрами приборов и свойствами материалов, технологическими процессами.

Выпускник должен: иметь представление:

• 
  об истории, современном состоянии и путях развития микроэлектроники;
  
• 
  о многообразии различных классов приборов микроэлектроники;
  
• 
  о номенклатуре серийно выпускаемых микросхем;
  
• 
  об основных направлениях и перспективах функциональной электроники.
  

• 
  физические принципы работы, характеристики и параметры основных типов интегральных микросхем;
  
• 
  физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия микроэлектронных устройств;
  
• 
  основные эксплуатационные характеристики и свойства пассивных элементов микросхем;
  

• 
  использования стандартной терминологии, определений, обозначений и единиц физических величин в микроэлектронике;
  
• 
  организации и проведения измерения электрических параметров и характеристик микросхем;
  
• 
  расчета и проектирования основных классов приборов;
  
• 
  выбора интегральных микросхем для применения в электронной аппаратуре;
  

2.1.1.Лекционный материал: 16 часов

Общие понятия, задачи и принципы микроэлектроники. Элементы и компоненты микросхем. Классификация микросхем по функциональным и конструкторско-технологическим признакам, по степени интеграции. Схемотехнические структуры простейших логических лементов интегральной микроэлектроники

Активные элементы интегральных микросхем. Особенности структуры биполярных транизсторов, транзисторы с комбинированной изоляцией. Диодные структуры в микроэлектронике. Многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы, транзисторы с диодом Шоттки. Конструктивные особенности МДП транзисторов интегральных микросхем, Приборы с зарядовой связью.

Пассивные элементы интегральных микросхем. Полупроводниковые и пленочные резисторы. Конденсаторы и индуктивные элементы. Микрополосковые линии и элементы на их основе.

2.1.2. Перечень лабораторных работ: (12 часов)

• 
  измерение параметров микросхем на биполярных транзисторах.
  
• 
  измерение параметров микросхем на МДП транзисторах.
  

• 
  классификация и обозначения интегральных микросхем;
  
• 
  анализ особенностей структур биполярных транзисторов в интегральных микросхемах, расчеты ширины и емкости коллекторного и эмиттерного переходов.
  
• 
  анализ особенностей структур МДП транзисторов в интегральных микросхемах, расчеты режимов работы.
  
• 
  анализ работы и расчеты параметров пассивных элементов микросхем.
  

Обработка и анализ результатов лабораторных работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям, письменному экзамену.

2.2.1. Лекционный материал. 14 часов

Конструктивно-технологические особенности элементной базы для сверхскоростных ИМС; физические ограничения на быстродействие и энергопотребление. Транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник. Функциональные возможности МДП и МЕП транзисторов в интегральных микросхемах.

Гетероструктуры в современной микроэлектронике. Гетеропереходные биполярные и полевые транзисторы: физические принципы работы и варианты конструкции.

Основные направления функциональной микроэлектроники. Обзор физических явлений и процессов функциональной микроэлектроники.

Акустоэлектроника. Принципы взаимного преобразования акустических и электрических сигналов. Пьезоэлектрические преобразователи. Приборы на поверхностных акустических и магнитостатических волнах (ПАВ и МСВ). Конструирование многофункциональных устройств на ПАВ, МСВ.

Магнитоэлектроника. Магнитоэлектронные запоминающие устройства и носители информации. Магнитные полупроводники и устройства на их основе.

Криоэлектроника. Особенности физических процессов в полупроводниках при низких температурах. Приборы на эффекте Джозефсона. Логические элементы на сверхпроводниках.

Молекулярная электроника и биоэлектроника. Электронные процессы в сложных органических молекулах.

2.2.2.Лабораторные занятия. (12 часов)

• 
  исследование быстродействия ИМС различных серий.
  
• 
  исследование логических элементов микросхем на биполярных транзисторах.
  
• 
  исследование логических элементов микросхем на МДП транзисторах.
  

• 
  анализ типичных структур полупроводниковых интегральных микросхем малой степени интеграции;
  
• 
  анализ конструктивно-технологических особенностей микросхем высокой степени интеграции;
  
• 
  анализ процессов в акустоэлектронных приборах и устройствах;
  
• 
  анализ процессов в магнитоэлектронных устройствах;
  

Обработка и анализ результатов лабораторных работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям, письменному экзамену.

3.1. Коллоквиумы по блокам лабораторных модулей, всего 2 коллоквиума.

3.2. Контрольные работы – письменные экзамены или тестирование по блокам модулей, всего 2.

3.3. Одна расчетно-аналитическая работа по материалу одного или нескольких модулей в рамках самостоятельной работы, объем выполнения – 12 часов.

1. 
   Гусев В.Г., Гусев Ю.М.. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов. –∙М.: Высшая школа, 2004. – 788 с.
   
2. 
   Щука А. А. Наноэлектроника .– М.: Физматкнига, 2007 .– 463 с.
   
3. 
   Марголин В. И.. Жабрев В. А., Тупик В. А Физические основы микроэлектроники : учеб. для вузов. –М.: Академия, 2008. – 400 с.
   
4. 
   Терехов В.А.. Задачник по электронным приборам. Учебное пособие. – СПб, Лань, 2003. – 278 с.
   
5. 
   Ситанов Д.В.. Цифровые интегральные микросхемы. Учебное пособие. Иваново, ИГХТУ, 2002. – 79 с.
   
6. 
   Физическая электроника и электронные приборы : лаборатор. практикум/ ИГХТУ; В.И. Светцов, В.В. Рыбкин, В.А. Титов и др. – Иваново, 2002. – 234 с.
   

1. 
   Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники: Учеб. пособ. для вузов. – М.: Радио и связь. – 1991. – 288 с.
   
2. 
   Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. - М. : Лаб. Базовых Знаний, 2000. - 488 с.
   
3. 
   Росадо Л. Физическая электроника и микроэлектроника. – М.: Высшая шк., 1991. – 351с.
   
4. 
   Гальперин М.В.. Электронная техника. М.: ФОРУМ – ИНФРА, 2004. – 304 с.
   
5. 
   Красиков Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. – М. : Техносфера, 2002. – 415 с.
   
6. 
   Горлов М.И., Емельянов В.А., Строганов А.В. Геронтология кремниевых интегральных схем. – М.: Наука, 2004. – 239 с.
   
7. 
   Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. – М.: Техносфера, 2004. – 525 с.
   
8. 
   Бурбаева Н.В.,. Днепровская Т.С Сборник задач по полупроводниковой электронике.-. М.: Физматлит, 2006. – 168 с.
   
9. 
   Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 464 с.
   
10. 
    Ю. Питер, Кардона Мануэль Основы физики полупроводников. – М.: Физматлит, 2002. – 560 с.
    
11. 
    Старосельский, В. И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники  .— М.: Юрайт, 2009  .— 464 с.
    

• 
  расчет параметров и характеристик МДП транзисторов;
  
• 
  расчет конденсаторов ИМС
  
• 
  расчет резисторов ИМС
  

• 
  тренировочные и контрольные тесты по каждому модулю;
  

• 
  база данных по полупроводниковым приборам и интегральным микросхемам.
  

Лабораторная работа (общий балл – 15): Отчёт 5

Контрольная работа (общий балл – 25): Тестирование 5

Самостоятельная расчетная работа – 20

• 
  за самостоятельную работу (решение домашних задач),
  
• 
  за работу на практических занятиях,
  
• 
  досрочное предоставление отчёта, самостоятельность, проявленную при его оформлении.
  

Сведения об обеспеченности образовательного процесса учебной литературой по дисциплине

6.1. Цели и общая схема проведения практического занятия. Программа проведения практических занятий.

Цель практических занятий – закрепление теоретического материала и выработка у студентов умения решать задачи по практическим аспектам учебной дисциплины.

В соответствии с рабочей программой на практические занятия отводится 6 часов – по 3 часа на каждый модуль дисциплины. На первом занятии преподаватель доводит до студентов порядок и график проведения занятий, максимальное количество баллов, которое может набрать студент по каждому модулю в соответствии с принятой в университете рейтинговой системой со 100-балльной шкалой оценок

Практические занятия по дисциплине строятся следующим образом:

1. 
   Вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены).
   
2. 
   Беглый опрос.
   
3. 
   Решение 1-2 типовых задач у доски. (1 час на п.п. 1 – 3).
   
4. 
   Самостоятельное решение задач. (1 час).
   
5. 
   Разбор типовых ошибок при решении, объявление оценок по модулю (1 час).
   

1. 
   Давать определенное количество задач для самостоятельного решения, равных по трудности, а оценку ставить за количество решенных за определенное время задач.
   
2. 
   Выдавать задания с задачами разной трудности и оценку ставить за трудность решенной задачи.
   

Тематика практических занятий соответствует названиям модулей дисциплины, основные вопросы, выносимые на практические занятия, приведены в рабочей программе дисциплины.

При проведении практических занятий используются задания и задачи из пособий [4, 9, 15]

8.1. Порядок прохождения лабораторного практикума

Лабораторный практикум выполняется в соответствии с графиком и календарным планом, составляемым на каждый учебный год. По дисциплине «Микроэлектроника» объем лабораторного практикума составляет 30 час и студенты выполняют 3 – 4 лабораторные работы в зависимости от их сложности (1 - 2 работы по каждому модулю). Описания лабораторных работ приведены в лабораторном практикуме [6] и . Каждая лабораторная работа выполняется, как правило, индивидуально. Допускается выполнение отдельных лабораторных работ бригадами в составе не более двух студентов.

На первом, вводном занятии до студентов доводится содержание и календарный план проведения практикума, Указывается число баллов, которое может набрать студент при выполнении лабораторного практикума в соответствии с действующей в вузе рейтинговой системой со 100-балльной шкалой оценок, проводится инструктаж по технике безопасности при выполнении работ с оформлением в соответствующем журнале. На этом же занятии преподаватель выдает задания по лабораторным работам первого модуля.

Лабораторные работы выполняются в соответствии с модулями, указанными в рабочей программе. По завершении каждого модуля проводится итоговое занятие, на котором обсуждаются результаты его выполнения и выдаются задания по работам следующего модуля. Итоговое занятие по последнему модулю завершает лабораторный практикум в целом.

Перед каждой лабораторной работой студент сдаёт краткий коллоквиум, отражающий уровень предварительной подготовки к вы­полнению работы. Коллоквиум проводится в виде устного собеседования с преподавателем или путем тестирования на ПЭВМ.

В процессе выполнения работы студент

1. 
   изучает по литературным данным параметры и характеристи­ки исследуемого прибора или макета, обращая особое внимание на предельно эксплуатационные параметры;
   
2. 
   составляет план проведения эксперимента, оценивает интервал изменения измеряемых величин, выбирает количество характеристик, подлежащих измерению и число точек на кривых, обращая особое внимание на возможные немонотонности в их ходе, согласует план работы с преподавателем;
   
3. 
   изучает экспериментальную установку, собирает (если нужно) измерительную схему, знакомится с правилами эксплуатации всех её элементов и радиоизмерительных приборов;
   
4. 
   готовит установку к работе и проверяет правильность подготовки у преподавателя или дежурного инженера;
   
5. 
   включает нужные приборы и выполняет запланированный объ­ем измерений, обращая внимание на воспроизводимость результатов. Все экспериментальные данные и показания приборов заносятся в рабочий журнал без каких-либо пересчетов или преобразований в уме;
   
6. 
   проводит предварительную обработку результатов экспери­мента и сравнивает их с ожидаемыми. Предъявляет полученные данные преподавателю или дежурному инженеру;
   
7. 
   выключает установку и сдает ее дежурному инженеру.
   

• 
  название работы;
  
• 
  задание на выполнение работы;
  
• 
  план работы;
  
• 
  схема установки;
  
• 
  первичные экспериментальные данные в виде таблиц без каких-либо пересчетов или преобразований;
  
• 
  результаты предварительной обработки данных в объеме, необходимом для определения их полноты и надежности.
  

По итогам каждой лабораторной работы оформляется отчет, ко­торый сдается преподавателю на следующем после выполнения данной работы занятии.

Отчет должен включать:

• 
  краткое теоретическое введение, отражающее устройство, принцип действия и назначение исследуемого прибора;
  
• 
  задание на выполнение работы;
  
• 
  план проведения эксперимента;
  
• 
  схему установки и ее краткое описание;
  
• 
  результаты и их обсуждение, в том числе анализ погрешности эксперимента, методику обработки результатов,
  
• 
  теоретические расчеты, анализ полученных данных и срав­нение их с литературными;
  
• 
  выводы;
  
• 
  список использованной литературы.
  

• 
  "Удовлетворительно" выставляется при выполнении работы по стандартной схеме и удовлетворительном знании основных закономерностей изучаемого явления.
  
• 
  "Хорошо" выставляется при наличии творческого, тщательно продуманного плана работы, качественного выполнения экспериментальной части, детального анализа полученных результатов и хоро­ших знаний изучаемого вопроса.
  
• 
  "Отлично" требует нестандартного подхода к выполнению рабо­ты, включения в нее элементов исследования, машинной обработки результатов.
  

8.2. Перечень лабораторных работ по каждому модулю курса приведен в рабочей программе и в лабораторном практикуме [6].

При проведении лабораторного практикума используется дисплейный класс кафедры (10 ПЭВМ типа Pentium 4), а так же стенды и установки для исследования

• 
  характеристик цифровых микросхем
  
• 
  характеристик аналоговых микросхем
  
• 
  работы простейших логических элементов
  

Перечень оборудования на каждой установке приводится в описаниях к лабораторным работам [6].

Самостоятельная работа по дисциплине организуется следующим образом:

• 
  выполнение домашних расчетных или расчетно-аналитических заданий, приведенных в учебных пособиях [4, 7, 12] или выдаваемых преподавателем индивидуально.
  
• 
  Написание реферата. Примерная тематика рефератов приведена ниже. При подготовке реферата рекомендуется использовать современную периодическую литературу и специализированные сайты Интернет.
  

Примерная тематика рефератов:

• 
  История развития кремниевых интегральных микросхем;
  
• 
  Перспективы и современное состояние биоэлектроники;
  
• 
  Закон Мура. Что дальше?
  
• 
  Сравнительная характеристика гибридных и интегральных микросхем;
  
• 
  Современные интегральные устройства регистрации изображения;
  
• 
  Пьезоэффект и его сферы его применения.
  

Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем компьютерного тестирования. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 10 заданий по каждому модулю и генерируется с помощью специальной программы. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание. Пример контрольного теста приведен ниже.

1. 
   отношение числа элементов к объему микросхемы без учета выводов
   
2. 
   число элементов или простых компонентов на кристалле микросхемы
   
3. 
   число функциональных ячеек в кристалле
   
4. 
   отношение числа элементов к числу функциональных ячеек в кристалле
   

В какой из перечисленных микросхем все элементы выполнены в объеме кристалла полупроводника

1. 
   тонкопленочной
   
2. 
   гибридной
   
3. 
   полупроводниковой
   

В отличие от аналоговых, цифровые ИМС

1. 
   обрабатывают сигналы, описываемые непрерывными функциями
   
2. 
   предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции
   
3. 
   выполнены по тонкопленочной технологии
   

Наличие паразитного p-n-p транзистора приводит к

1. 
   увеличению коэффициента передачи по току основного транзистора
   
2. 
   уменьшению базового тока основного транзистора
   
3. 
   увеличению коэффициента инжекции эмиттера
   

Какое свойство арсенида галлия не позволяет создавать на его основе МДП транзисторы?

1. 
   высокая подвижность электронов
   
2. 
   малая критическая напряженность электрического поля
   
3. 
   высокое значение плотности поверхностных состояний
   

Области p⁺ типа, формируемые под изолирующими областями в транзисторе с комбинированной изоляцией, необходимы для

1. 
   улучшения частотных свойств транзистора
   
2. 
   предотвращения возникновения проводящего канала между отдельными элементами ИМС
   
3. 
   увеличения напряжения пробоя эмиттерного перехода транзистора
   

Горизонтальный p-n-p транзистор в отличие от вертикального транзистора структуры n-p-n:

1. 
   обладает внутренним электрическим полем в базовой области
   
2. 
   обладает более высоким значением коэффициента передачи по току
   
3. 
   является бездрейфовым
   

П–образная форма канала МДП транзисторов при проектировании ИМС используется с целью

1. 
   экономии площади
   
2. 
   увеличения быстродействия
   
3. 
   увеличения подвижности носителей в канале
   

Базовый элемент (инвертор) ИМС на основе комплементарной пары транзисторов выполнен из

1. 
   МДП транзистора с индуцированным каналом р-типа и МДП транзистора со встроенным каналом n-типа
   
2. 
   двух МДП транзисторов с индуцированными каналами n- и р- типа
   
3. 
   двух МДП транзисторов с индуцированным каналом n-типа
   

На стоковых ВАХ МДП транзисторов с коротким каналом, по сравнению с ВАХ обычных МДП транзисторов:

1. 
   меньше значения напряжения насыщения
   
2. 
   на участке насыщения наблюдается более резкий рост тока стока
   
3. 
   напряжения сток-исток, при которых еще сохраняется участок насыщения ВАХ, существенно выше
   

При проведении итогового контроля экзамен может так же проводиться в устной или письменной форме. Комплекты экзаменационных билетов приведены в приложении.

1. 
   Сформирован банк тестовых заданий по дисциплине, который используется для самоподготовки студентов, а так же при текущем, промежуточном и итоговом контроле по дисциплине.
   
2. 
   При подготовке отчетов по лабораторным работам студенты проводят обработку результатов эксперимента необходимые расчеты на ПЭВМ.
   
3. 
   Отдельные лабораторные работы могут выполняться непосредственно на ПЭВМ, практикуется сочетание натурного и виртуального экспериментов. Последний подход позволяет освоить практические измерения и получить большое количество данных в процессе моделирования.
   

«Микроэлектроника»

1. 
   Предмет микроэлектроники, основные понятия и определения. Классификация ИМС.
   
2. 
   Общая классификация основных типов логических элементов. Сравнительная характеристика. Реализация базовых логических функций с помощью диодных ключей.
   
3. 
   Понятие транзисторного ключа. Использование МОП-транзисторов для создания логических элементов. КМОП инвертор.
   
4. 
   Принцип действия логических элементов с логикой на входе. Общая структура логических элементов ТТЛ, ДТЛ и инжекционной логики.
   
5. 
   Особенности структуры n-p-n БП транзисторов ИМС с изоляцией на основе n-p перехода. Влияние общей подложки на работу биполярных транзисторов ИМС.
   
6. 
   Диэлектрическая изоляция элементов биполярных ИМС. ИМС с комбинированной изоляцией.
   
7. 
   Интегральные транзисторы типа p-n-p. Основные параметры и особенности структуры.
   
8. 
   Многоэмиттерные транзисторы ИМС. Принцип действия.
   
9. 
   ИМС повышенной степени интеграции. Многоколлекторные транзисторы.
   
10. 
    Работа транзистора в ключевом режиме. Прохождение прямоугольных импульсов через каскад на основе биполярного транзистора
    
11. 
    Применение полевых транзисторов в микроэлектронике. Варианты конструкции МДП-транзисторов ИМС.
    
12. 
    Использование выпрямляющего контакта металл-полупроводник для увеличения быстродействия биполярных транзисторов Транзисторы с диодом Шоттки.
    
13. 
    Диодные структуры в микроэлектронике. Сравнительная характеристика.
    
14. 
    Влияние подложки ИМС на параметры и характеристики интегральных диодов и стабилитронов.
    
15. 
    Конструктивные особенности активных элементов полупроводниковых микросхем на основе полевых транзисторов. КМОП структуры.
    
16. 
    Сущность эффектов короткого канала в МДП структурах. Механизм влияния короткоканальных эффектов на пороговое напряжение транзисторов.
    
17. 
    ВАХ характеристики МДП транзисторов с коротким и длинным каналом. Сравнительный анализ.
    
18. 
    Основные проблемы миниатюризации МДП транзисторов. Выбора материала подзатворного диэлектрика.
    
19. 
    Конструктивные особенности субмикронных транзисторов LDD структуры и их влияние на эффекты короткого канала.
    
20. 
    Современные МДП транзисторы на основе технологии «напряженного» кремния. Принцип действия. Критерии выбора материала для формирования области канала таких транзисторов.
    
21. 
    Структура современных МДП транзисторов, выполненных на основе технологии «кремний на изоляторе». Перспективы дальнейшего уменьшения размеров МДП транзисторов.
    
22. 
    Резистивные элементы полупроводниковых ИМС. Пленочные и диффузионные резисторы.
    
23. 
    Конденсаторы и индуктивные элементы в микроэлектронике.
    
24. 
    Приборы с зарядовой связью, сфера применения и принцип действия.
    
25. 
    Физические ограничения в микроэлектронике. Электромиграция в ИМС. Влияние межэлементных соединений на работу ИМС. Понятие задержки импульса.
    
26. 
    Сравнительная характеристика подложек на основе кремния и арсенида галлия. Структура полевых транзисторов с управляющим переходом металл-полупроводник.
    
27. 
    Принцип действия транзисторов с управляющим переходом металл-полупроводник. Анализ стоковых и сток-затворных характеристик.
    
28. 
    Гетероструктуры на основе арсенида галлия. Явления сверхинжекции в гетеропереходах.
    
29. 
    Понятие двумерного электронного газа. Перспективы использования нитрида галлия для формирования гетероструктур.
    
30. 
    Возможности биполярной технологии в СВЧ диапазоне. Гетеропереходные биполярные транзисторы.
    
31. 
    Использование гетероперехода при создании полевых приборов. HEMT транзистор на основе арсенида галлия.
    
32. 
    Отличительные особенности структур псевдоморфных и метаморфных HEMT транзисторов.
    
33. 
    Применение пьезоэффекта в радиоэлектронике. Принцип действия основных приборов пьезоэлектроники
    
34. 
    Акустоэлектрический эффект. Приборы на основе поверхностно-акустических волн. Акустоэлектрические усилители.
    
35. 
    Элементы функциональной электроники на основе сверхпроводящих материалов. Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона.
    
36. 
    Радиоэлектронные приборы на основе оптических и магнитоэлектрических эффектов в твердых телах. Молекулярная и биоэлектроника.