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 ρ_S 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 К_Ф. При выборе материала следует также иметь в виду, что резисторы с К_Ф < 0,1 и К_Ф > 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 К_Ф ≤10 резисторы имеют прямоугольную форму, при больших К_Ф резисторы выполняются в форме меандра [4, рис. 5.1, 5.2]. При определении размеров резисторов следует исходить из минимально допустимой ширины резистивной пленки, равной b_МИН =100 мкм и определить длину резистора. В тех случаях, когда полученная длина резистора оказывается меньше минимально допустимой длины, равной l_МИН = 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) S_Σ и определить примерную площадь подложки S_П, полагая S_П = (2…3)S_Σ. С помощью таблицы 3 следует выбрать стандартную подложку, размеры которой соответствуют полученной площади S_П.

*

29

В тех случаях, когда заданные в таблицах значения ρ_S 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].