Document 993884

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
___________________
Руководитель ООП
по направлению 210100
декан ЭФ проф. В.А. Шпенст
_______________________
Зав.кафедрой ЭС
проф. В.А. Шпенст
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ»
Направление подготовки бакалавра
210100–электроника и наноэлектроника
Профиль промышленная электроника
Квалификация выпускника: бакалавр
Форма обучения:очная
Составители: доцент каф. ЭС А.Л. Камышев
ст. преподаватель каф ЭС А.М. Астафьев
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины:
Цель дисциплины «физические основы электроники» направления подготовки
бакалавра 200100.62 электроника и наноэлектроника
профиль «промышленная
электроника» является:
 изучение физических процессов и законов, лежащих в основе принципов
действия полупроводниковых приборов, и определяющих характеристики и параметры
этих приборов. Формирование навыков экспериментальных исследований и техники
измерений характеристик и параметров полупроводниковых приборов.
 изучение основ физики вакуума и плазмы, физических явлений и процессов,
лежащих в основе принципов работы приборов и устройств вакуумной и плазменной
электроники;
 вакуумных, плазменных и твердотельных электронных приборах;
 изучение основных законов квантовой электроники.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина «физические основы электроники» относится к базовому циклу циклу
блока Б3, изучается в третьем и четвертом семестрах.
Для освоения этой учебной дисциплины требуется предварительная подготовка по
учебных дисциплинам «Физика», «Материалы электронной техники». Данная дисциплина
является основой для изучения дисциплин «Оптическая электроника», «Основы
преобразовательной техники», «Электронные промышленные устройства».
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
компетенций:
ОК-1 - владеет культурой мышления, способность к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели и выбору путей еѐ достижения;
ПК 9 - Способность осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и
проектирования электронных приборов, схем и устройств различного функционального
назначения
ПК 10 - Готовность выполнять расчет и проектирование электронных приборов,
схем и устройств различного функционального назначения в соответствии с техническим
заданием с использованием средств автоматизации проектирования
ПК 18 - Способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную
и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области
электроники и наноэлектроники
ПК 20 - Способность аргументировано выбирать и реализовывать на практике
эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик
приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного
функционального назначения
ПК 21 - Готовность анализировать и систематизировать результаты исследований,
представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать: физико-технические основы вакуумной и плазменной электроники: законы
эмиссии, способы формирования и транспортировки ПЗЧ в вакууме и плазме, способы
управления параметрами и преобразования энергии ПЗЧ в другие виды; основы физики
твердого тела; принципы использования физических эффектов в твердом теле в
электронных приборах и устройствах твердотельной электроники; конструкции,
параметры, характеристики и методы их моделирования; основные физические процессы,
лежащие в основе принципов действия приборов и устройств микроволновой
электроники, методы их аналитического описания, факторы, определяющие их параметры
и характеристики, конструкции и области применения; основные физические процессы,
лежащие в основе действия приборов квантовой электроники, методы их аналитического
описания, факторы, определяющие их параметры и характеристики, а также особенности
оптических методов передачи и обработки информации;
уметь: применять полученные знания при теоретическом анализе, компьютерном
моделировании и экспериментальном исследовании физических процессов, лежащих в
основе принципов работы приборов и устройств вакуумной и плазменной электроники;
применять методы расчета параметров и характеристик, моделирования и проектирования
электронных приборов и устройств твердотельной электроники и наноэлектроники;
рассчитывать основные параметры и характеристики микроволновых электронных
приборов и устройств, осуществлять оптимальный выбор прибора для конкретного
применения; применять полученные знания для объяснения принципов работы приборов
и устройств оптической и квантовой электроники, а также оптических методов передачи и
обработки информации;
владеть: информацией об областях применения и перспективах развития приборов и
устройств вакуумной и плазменной электроники;
методами экспериментальных
исследований параметров и характеристик электронных приборов и устройств
твердотельной электроники и наноэлектроники, современными программными
средствами их моделирования и проектирования;
методами компьютерного
проектирования и экспериментального исследования микроволновых приборов и
устройств; информацией об областях применения и перспективах развития приборов,
устройств и методов квантовой и оптической электроники.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет ____8____ зачетные единицы.
Всего
часов
Вид учебной работы
Семестры
3
4
Аудиторные занятия (всего)
115
51
64
Лекций
33
17
16
Практические занятия (ПЗ)
49
17
32
Лабораторные работы (ЛР)
33
17
16
Самостоятельная работа (всего)
137
21
116
В том числе:
Реферат
25
25
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к практическим занятиям,
лабораторным работам, выполнение проверочных
работ для текущего контроля знаний.
Вид промежуточной аттестации (экзамен, зачёт)
30
10
20
Экзамен,
Зачёт
Экзамен
288
72
216
8
2
6
зачёт
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ Наименование
Содержание раздела
п/п раздела
дисциплины
1 Физические основы Энергетические зоны и свободные носители заряда в
электронной техники
2
Твердотельная
электроника
твердых
телах.
Собственная
и
примесная
электропроводности. Эффект поля. Законы движения
носителей заряда в полупроводниках. Контактные явления
в полупроводниках.
Электронно-дырочный переход.
Потенциальный барьер и ширина переходного слоя.
Вольт-амперная характеристика перехода.
Пробой
перехода.
Накопление и рассасывание неосновных
носителей заряда в базах переходного слоя.
Емкость
перехода.
Гетеропереходы.
Контакты металлполупроводник. Полупроводниковые диоды. Рабочий
режим. Типы диодов
2.1. Электронные приборы, управляемые током.
Биполярные транзисторы. Устройство биполярных
транзисторов.
Схемы включения.
Режимы
токопропускания в транзисторе.
Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора.
Транзистор как линейный четырехугольник. Транзистор в
рабочей схеме усиления сигнала.
Транзистор как
электронный ключ. Схемные модификации биполярных
транзисторов.
Многоэмиттерные и многоколлекторные
транзисторы.
2.2. Электронные приборы, управляемые напряжением.
Полевые
транзисторы.
Классификация
полевых
транзисторов.
Устройство и принцип действия МДПтранзисторов с изолированным затвором.
Пороговое
напряжение и напряжение отсечки МДП-транзисторов.
Статические вольт-амперные характеристики МДПтранзисторов с индуцированным и встроенным каналами.
Параметры МДП-транзистора. Температурные свойства.
Транзисторы с управляющим переходом металлполупроводник и p-n-переходом.
Арсенид-галлиевые
транзисторы с барьером Шоттки. Схемные модификации
полевых транзисторов
2.3. Негатроны. Особенности электронных приборов с
участком отрицательного сопротивления на вольтамперной характеристике, S- и N- негатроны. Устройство
тиристора и область применения.
Режимы
токопропускания и принцип действия тиристора.
Статические параметры тиристора.
Способы
переключения тиристора.
Динамические параметры
тиристора.
Устройство и принцип действия
однопереходного транзистора. S- диоды. Туннельные и
обращенные диоды. Принцип действия, характеристики,
возможности практического использования
2.4. Приборы, управляемые неэлектрическим сигналом.
3
Вакуумная и
плазменная
электроника
4
Квантовая
электроника
Датчики температуры. Тензодатчики. Фотодетекторы.
Оптопары. Датчики магнитного поля. Преобразователи
влажности
2.1. Электрический ток в вакууме. Физические явления,
положенные в основу построения приборов вакуумной и
плазменной электроники. Вакуум и газовая среда.
Электронные приборы как преобразователи энергии и
информации. Основные типы приборов. Роль и место
приборов этого класса в современной электронике.
Движение электронов в вакууме в электрическом и
магнитном
полях.
Однородные,
осесимметричные,
скрещенные
электрические
и
магнитные
поля.
Электрические линзы и построение изображений в них.
Электрический ток в вакууме при наличии объемного
заряда. Распределение потенциала в междуэлектродном
промежутке. Способы получения потока электронов. Виды
электронной
эмиссии.
Термоэлектронная
эмиссия.
Электрический и магнитный способы управления
плотностью и скоростью электронов
2.2.
Приборы
вакуумной
электроники.
Электровакуумный диод. Статические характеристики,
параметры диода. Рабочий режим диода. Предельноэксплуатационные
параметры.
Триод.
Статические
характеристики, параметры. Рабочий режим триода.
Усилитель
на
триоде.
Эквивалентные
схемы.
Межэлектродные емкости в триоде. Многоэлектродные
электронные лампы. Характеристики и параметры
многоэлектродных ламп. Мощные электронные лампы.
Импульсные лампы.
2.3. Электронно-лучевые приборы. Классификация
электронно-лучевых приборов. Устройство и принцип
действия электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Модуляция,
фокусировка и отклонение электронного луча. Экраны
ЭЛТ, получение изображения на экранах. Приемные и
запоминающие ЭЛТ
2.4. Ионизированный газ и плазма. Характер движения
электронов и ионов в газе. Электрические разряды в газе.
Несамостоятельный разряд. Самостоятельный разряд.
Закон Пашена. Тлеющий разряд. Дуговой самостоятельный
и несамостоятельный разряды. Столб разряда. Искровой и
коронный разряды. Теория плазмы. Методы исследования
плазмы. Плазма низкого и высокого давлений
2.5. Газоразрядные приборы. Силовые ионные
приборы.
Ртутные
вентили,
стабилитроны.
Радиотехнические
ионные
приборы.
Импульсные
модуляторные тиратроны с водородным наполнением.
Ионные и резонансные разрядники. Тиратроны тлеющего
разряда. Газоразрядные индикаторные панели.
Принципы работы квантовых систем. Энергетические
состояния квантовых систем, оптические переходы.
Нормальное и возбужденное состояния системы.
Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение.
Коэффициенты
Эйнштейна.
Взаимодействие
электромагнитного излучения с квантовыми системами.
Структура спектров; ширина, форма и уширение
спектральных линий. Инверсная населенность и методы ее
создания.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
.
№
п/п
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
№ № разделов данной дисциплины, необходимых
для изучения последующих дисциплин
1
2
3
1
Оптическая электроника
+
+
+
2
Основы
преобразовательной
техники
Электронные
промышленные устройства
+
+
+
3
+
4
+
+
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
Наименование раздела
дисциплины
Лекции
Практ. Лаб.
зан.
зан.
СРС
Всего
час.
6
12
-
10
28
2
Физические основы электронной
техники
Твердотельная электроника
12
13
17
58
90
3
Вакуумная и плазменная электроника
9
12
8
58
87
4
Квантовая электроника
4
12
8
11
35
1
6. Лабораторный практикум
№
п/п
№ раздела
дисциплины
Наименование лабораторных работ
1
2
Исследование полупроводниковых диодов
2
2
Исследование биполярных транзисторов
3
2
Исследование тиристоров
4
2
Исследование полевых транзисторов
5
3
Исследование электровакуумного триода
6
3
Исследование усилителя на электровакуумном триоде
7
4
Исследование полупроводникового фотодиода
8
4
Исследование полупроводникового фототранзистора
7. Практические занятия (семинары)
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1
2
2
2
3
2
4
3
5
3
6
4
7
4
8
4
Тематика практических занятий (семинаров)
Задачи по расчету усилительных и ключевых
режимов на биполярных и полевых транзисторах
Задачи по расчету пассивных полупроводниковых
приборов
Задачи по расчету активных полупроводниковых
приборов
Расчет усилительных каскадов на электронных
лампах
Задачи по расчету газоразрядных приборов
Расчет усилительных каскадов на электронных
лампах
Задачи на определение длины волны излучения в
зависимости от материалов активных сред в
лазерах.
Определение мощности оптической накачки в
твердотельных лазерах
Трудоемкость
(час.)
8
6
6
8
6
8
4
3
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)
Не предусмотрено
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
9.1. Основная литература
1. Электроника: учеб. пособие для вузов/ В. И. Лачин, Н. С. Савелов. - Изд. 7-е. - Ростов
н/Д: Феникс, 2009. - 703 с.
2. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов/ В. Г.
Гусев, Ю. М. Гусев. - Изд. 5-е, стер. - М.: Высш. шк., 2008.
3. Приборы физической электроники: учеб. пособие для вузов/ [А. И. Астайкин [и др.] ;
под ред. А. И. Астайкина. - М.: Высш. шк., 2008.
4. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. – М.: Высшая школа, 2001. - 573 с.
9.2. Дополнительная литература
1. Жеребцов И. П. Основы электроники. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние., 1989
2. В.В. Толмачев, Ф.В. Скрипник Физические основы электроники, Ижевск - "Регулярная
и хаотическая динамика", 2009
3. Вакуумная и плазменная электроника: учеб.- метод. комплекс, информ. ресурсы
дисциплины, метод. указания к выполнению лаб. работ/ Федер. агентство по образованию,
СЗТУ, Каф. ПЭ; сост. А. Л. Камышев. - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008.
4. Сушков, А. Д., Вакуумная электроника : физико-технические основы: учеб. пособие для
вузов/ А. Д. Сушков. - СПб.: Лань, 2004
5. Свечников Г.М. Твердотельные электронные приборы. -СПб.: СЗПИ,1994.
6. Электронные приборы. /Под ред. Г.Г. Шишкина - М.: Высш. школа, 1989
7. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. -М.: Высш. школа, 1991
8. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник
/под ред. В.Л. Перельмана. -М.: Радио и связь, 1991.
9.3. Доступ к полнотекстовым базам данных из сети Интранет СПГГУ:
- БД JSTOR полнотекстовая база англоязычных научных журналов www.jstor.org
- Научная электронная библиотека www.eLibrary.ru (доступ к полным текстам ряда
научных журналов с 2007 по 2009 г. )
9.4. Электронные ресурсы других библиотек:
Национальные отечественныеи зарубежные библиотеки
1. Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru
2. Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru
3. Всероссийская государственная библиотека иностранной литературы
им. М.И.Рудомино http://www.libfl.ru
4. Библиотека Академии Наук http://www.rasl.ru
5. Библиотека РАН по естественным наукам http://www.benran.ru
6. Государственная публичная научно-техническая библиотека http://www.gpntb.ru
7. Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского отделения
РАН http://www.spsl.nsc.ru/
8. Центральная научная библиотека Дальневосточного отделения РАН
http://lib.febras.ru
9. Центральная научная библиотека Уральского отделения РАН http://www.uran.ru
10. Библиотека Конгресса http://www.loc.gov/index.html
11. Британская национальная библиотека http://www.bl.uk
12. Французская национальная библиотека http://www.bnf.fr
13. Немецкая национальная библиотека http://www.ddb.de
14. Библиотечная сеть учреждений науки и образования RUSLANet
http://www.ruslan.ru:8001/rus/rcls/resources
15. Центральная городская универсальная библиотека им. В.Маяковского
http://www.pl.spb.ru
16. Научная библиотека им. М.Горького Санкт-Петербургского Государственного
университета (СПбГУ) http://www.lib.pu.ru
Фундаментальная
библиотека
Санкт-Петербургского
Государственного
Политехнического университета (СПбГПУ) http://www.unilib.neva.ru/rus/lib/
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории,
снабженной мультимедийными средствами для презентаций лекций, видеофайлов
практических занятий и демонстрационных лабораторных работ.
Проведение лабораторных занятий требует наличия специализированных учебных
стендов по заявленной номенклатуре лабораторных работ, оснащённых современной
контрольно-измерительной аппаратурой.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом
рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки бакалавра 210100 «Электроника
и наноэлектроника».
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Изучение дисциплины производится в тематической последовательности. Студенты
очной формы обучения работают в соответствии с временным режимом, установленным
учебным рабочим планом для данных форм обучения. Информация о временном графике
работ сообщается преподавателем на установочной лекции. Преподаватель дает указания
также по организации самостоятельной работы студентов, срокам сдачи контрольных
работ, выполнения лабораторных работ и проведения тестирования.
Дисциплина
«Физические
основы
электроники»,
относится
к
циклу
профессиональных дисциплин. В связи с этим, приступая к ее изучению, необходимо
восстановить в памяти основные сведения из курса общей физики, математики и
указанных выше специальных дисциплин.
Методика и последовательность изучения дисциплины соответствуют перечню
содержания разделов дисциплины. Материал каждой темы насыщен математическими
соотношениями, физическая интерпретация которых зачастую достаточно сложна,
поэтому изучение материала требует серьезной, вдумчивой работы.
Изучать дисциплину рекомендуется по темам, предварительно ознакомившись с
содержанием каждой из них по программе учебной дисциплины. При первом чтении
следует стремиться к получению общего представления об изучаемых вопросах, а также
отметить трудные и неясные моменты. При повторном изучении темы необходимо
освоить все теоретические положения, математические зависимости и выводы.
Рекомендуется вникать в сущность того или иного вопроса, но не пытаться запомнить
отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне сущности, а не на уровне
отдельных явлений, способствует наиболее глубокому и прочному усвоению материала.
Для более эффективного запоминания и усвоения изучаемого материала, полезно иметь
рабочую тетрадь (можно использовать лекционный конспект) и заносить в нее
формулировки законов и основных понятий, новые незнакомые термины и названия,
формулы, уравнения, математические зависимости и их выводы. Целесообразно
систематизировать изучаемый материал, проводить обобщения разнообразных фактов,
сводить их в таблицы. Подобная методика облегчает запоминание и уменьшает объем
конспектируемого материала. До тех пор пока тот или иной раздел не усвоен, переходить
к изучению новых разделов не следует. Краткий конспект курса будет полезен при
повторении материала в период подготовки к экзамену.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Рабочая программа предусматривает возможность обучения в рамках поточногрупповой системы обучения. Для текущего контроля успеваемости используется устный
опрос.
Разработчик:
Каф. ЭС
(место работы)
доцент
(занимаемая должность)
Камышев А.Л.
(инициалы, фамилия)
Каф. ЭС
Ст.преподаватель
Астафьев А.М.
(место работы)
(занимаемая должность)
(инициалы, фамилия)