4331

3

УДК 621.38 Ф50

Евсикова Н.Ю. Физические основы промышленной электроники [Электронный ресурс] : Методические указания для самостоятельной работы студентов по направлениям подготовки: 23.03.01 – Технология транспортных процессов, 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов / Н.Ю. Евсикова, Н.С. Камалова, В.И. Лисицын, В.В. Постников ; М- во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2016. – 36 с. – ЭБС ВГЛТУ.

В методических указаниях приводятся содержание разделов изучаемой дисциплины, учебно-методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов по всем видам работ, предусмотренных учебными планами направлений, образцы оформления решения задач и отчета по результатам экспериментальных исследований.

Методические указания предназначены для студентов по направлениям подготовки: 23.03.01 – Технология транспортных процессов, 23.03.03 – Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

Табл. 8. Ил. 4. Библиогр.: 5 наим.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

Рецензент: доктор физ.-мат. наук, профессор кафедры математического и прикладного анализа факультета прикладной математики, информатики и механики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» Тимошенко Ю.К.

Ответственный редактор Евсикова Н.Ю.

Коллектив авторов, 2016

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 2016

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Физические основы промышленной электроники» изучает фундаментальные законы, лежащие в основе технологий современной промышленной электроники. Например, принципы работы диоднотранзисторной, эмиттерной логик, современных АЦП и ЦАП, цифровых устройств, используемых в средствах контроля во всех областях современной экономики. Поэтому освоение данной дисциплины необходимо широкому кругу профессионалов технического, технологического и экономического профиля.

Необходимо заметить, что теоретические законы «Физических основ промышленной электроники» устанавливают связь между атомарной структурой материалов и свойствами изделий из них, отражая физическую сущность технологий промышленной электроники. Одной из форм обучения студента является самостоятельная работа над учебным материалом, которая состоит из следующих этапов:

1)проработка лекций;

2)оформление отчетов по результатам экспериментальных исследова-

ний;

3)выполнение индивидуальных и расчетных заданий;

4)самостоятельная подготовка доклада на студенческую конференцию;

5)подготовка к коллоквиумам и зачету (экзамену).

Основная цель данных методических указаний – помочь студентам организовать и проконтролировать самостоятельное углубленное изучение этой дисциплины для формирования профессиональных навыков самостоятельной деятельности по разработке, внедрению, контролю, оценке и корректировке применения новейших современных, в том числе и инновационных, технологий.

Методические указания предназначены для студентов по направлениям подготовки: 23.03.01 – Технология транспортных процессов, 23.03.03 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов. Они могут быть использованы при самоподготовке студентами всех направлений подготовки и форм обучения, а также при дистанционном обучении.

6

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины «Физические основы промышленной электроники» является формирование у студентов знаний и умений по проведению анализа характеристик элементной базы современной промышленной электроники и свойств материалов из которых базовые элементы можно изготовить.

Воснову курса положен принцип экспериментального и теоретического моделирования физических процессов, протекающих в приборах современной промышленной электроники.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

– изучение основных законов квантовой механики и зонной теории кристаллов;

– формирование у бакалавров представления о физических свойствах материалов, используемых для создания основных схем современной промышленной электроники;

– овладение фундаментальными теориями физики полупроводников и полупроводниковых приборов;

– формирование навыков проведения вычислительного эксперимента и основ грамотного научного анализа и синтеза современной научной информации;

– освоение основных принципов описательного моделирования надежности технических объектов и сложных систем;

– формирование у студентов основ естественнонаучной картины мира.

Врезультате освоения дисциплины бакалавр должен:

знать

–физические основы современной промышленной электроники, основные закономерности зонной модели, основные характеристики элементной базы систем и приборов, выпускаемых современной промышленной электроникой;

уметь

–осуществлять поиск основных параметров диодов и транзисторов по аббревиатуре с помощью специальной справочной литературы;

–определять параметры полупроводниковых приборов по экспериментально полученной ВАХ;

–оценивать влияние окружающей среды на надежность и характеристики ИС;

–использовать методы адекватного физического и математического моделирования для решения задач современных микротехнологий;

владеть следующими навыками:

–использования основных принципов квантовой механики при оценке возможности применения квантовых структур для успешного внедрения и корректировки новейших современных технологий в области промышленной электроники;

7

–применения основных методов физико-математического анализа при оценке влияния внешних воздействий на надежность электронных схем;

–обработки и интерпретирования результатов численного эксперимен-

та.

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Этапы развития промышленной электроники. Открытие электрона. Микро и нанотехнологии.

Раздел 1. Элементы квантовой механики

Соотношения Гейзенберга. Корпускулярно-волновой дуализм. Волна де Бройля и функция Дирака. Уравнение Шредингера (общий случай и стационарное состояния). Свободный электрон, электрон в потенциальной яме, потенциальные барьеры. Квантовый осциллятор. Квантовая модель атома водорода. Основные операторы. Квантовые числа и правила перехода. Потоки частиц. Элементы физики потоков и их взаимодействие с веществом. Элементарные частицы и способы их регистрации. Элементы физики элементарных частиц. Радиоактивность и ее законы. Законы фотоэффекта и гипотеза Планка в квантовой механике. Распределение Ферми-Дирака. Распределение Бозе-Эйнштейна. Теория теплоемкости твердых тел. Фононы. Взаимодействие фононов с электронами.

Раздел 2. Квантовые системы

Кристаллы. Трансляционная симметрия. Ковалентная связь. Физическая модель: кристалл, как идеальная 1-D-структура структура, полученная трансляцией элементарной ячейки (решетка Браве). Кристалл, как цепочка потенциальных ям. Электрон в линейной цепочке потенциальных ям. Энергетические зоны в кристаллах. Металлы, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории. Число возможных состояний для электрона в кристалле с энергией E>Ec. Дефекты в кристаллах. Доноры и акцепторы. Примесные уровни. Распределение Ферми-Дирака и Больцмана для числа электронов в зависимости от уровня энергии. Уровень Ферми. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла собственного полупроводника. Примесные п/п. Положение уровня Ферми в энергетических зонах кристалла примесного полупроводника. Генерация. Рекомбинация. Термодинамическое равновесие. Основные носители. Электрическая нейтральность и концентрация основных носителей. Неосновные носители. Инжекция. Экстракция. Время жизни неосновных носителей. Прямая рекомбинация. Уровни инжекции. Способы инжектирования неосновных носителей. Дрейфовый ток в полупроводниках. Проводимость полупроводников. Диффузия носителей заряда в полупроводниках. Длина свободного пробега электрона в полупроводниках. Подвижность зарядов. Соотношение Эйнштейна. Пространственный заряд. Физические основы промышленной электроники

8

Раздел 3. Физика p-n перехода

Современные способы получения p-n перехода. Процессы при образовании p-n перехода. Виды p-n перехода. Потенциальный барьер. Термодинамическое равновесие p-n перехода. Разность потенциалов и диффузионный поток через p-n переход. Гипотеза обеднения. Модель Эмберса-Мола. ВАХ p-n перехода. Выпрямительные диоды. Обратный ток. Емкость p-n перехода. Эффект Ганна. Тунельный эффект. Эффект Зеемана и Пельтье. Твердотельные термоэлектрические преобразователи. Классификация полупроводниковых диодов. Способы получения и типы полупроводниковых диодов. Входные и выходные характеристики выпрямительных диодов. Обратный ток. Температурная зависимость обратного тока. Искажения сигнала. Время задержки. Основные параметры выпрямительных диодов. Специальные диоды и характеристики области p-n перехода. Варикапы. Оптические свойства полупроводников. Светодиоды и фотодиоды. Эффект Гана и туннельный эффект. Диоды сверх высокой частоты. Обратный ток и стабилитроны.

Раздел 3. Биполярный и полевой транзистор

Структура биполярного транзистора. Распределения носителей заряда в биполярном транзисторе. Динамика перераспределения заряда в транзисторе в схеме с общей базой. Транзистор с точки зрения зонной теории. Эквивалентная схема биполярного транзистора. Схемы включения биполярного транзистора. Входная и выходная характеристики биполярного транзистора. Системы параметров биполярного транзистора. Динамический режим работы транзистора. Нагрузочная прямая и рабочая точка. Режим отсечки и насыщения. Ключевой режим работы биполярного транзистора. Выходной ток и температурная нестабильность биполярного транзистора. Контактная разность потенциалов. Динамика движения электронов во внешнем поле. Температурная зависимость тока через контакт. Обратный ток. Преимущества и недостатки. Диоды Шоттки и их характеристики. Условия вырожденности полупроводников. Гетеропереходы и состояния электрона в сложных полупроводниковых структурах. Структура полевого транзистора. Моделирование и стоковая характеристика. Истоковая и стоковая характеристики униполярного транзистора. Основные параметры полевого транзистора.

Раздел 4. Интегральные схемы (ИС)

Классификация интегральных схем. ГИС и микросхемы. Аналоговые элементы микросхем. Входные и выходные характеристики микросхем. Статические и динамические характеристики микросхем. Булева алгебра. Цифровые ИС. Особенности работы цифровых ИС. Примеры простейших ИС. Эквивалентная схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Эквивалентная схема ЦАП. Основные характеристики АЦП и ЦАП. Надежность. Вербальные параметры надежности производителя и потребителя электронной продукции. Статистическая система отбраковки. Вероятностная модель надежности микросхем. Интенсивность отказов ИС. Зависимость интенсивности отказов от времени работы электронной продукции. Время надежной

9

работы ИС. Статистические методы оценки надежности ИС. Физика отказов диодов и транзисторов. Плазменные области и износостойкость аналоговой базы ИС. Налаженность технологического процесса и температурный коэффициент перехода. Условия эксплуатации и сложность ИС. Методы оценки интенсивности отказов ИС, основанные на знаниях о физических причинах отказов.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Методические указания студентам по организации самостоятельной работы в соответствии с рабочей программой дисциплины включают в себя:

методические рекомендации по работе над конспектом лекций;

методические рекомендации по подготовке к практическим занятиям;

методические рекомендации по выполнению индивидуальных заданий;

методические рекомендации по подготовке к экспериментальным исследованиям;

методические рекомендации по изучению рекомендованной литературы;

методические рекомендации по подготовке рефератов;

методические рекомендации по подготовке к зачету.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ НАД КОНСПЕКТОМ ЛЕКЦИЙ

В ходе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. При этом надо обращать внимание на категории, формулировки, раскрывающие содержание тех или иных явлений и процессов, научные выводы и практические рекомендации, выделять важные моменты, усваивать положительный опыт в ораторском искусстве.

Желательно оставить в рабочих конспектах поля, на которых следует делать пометки из рекомендованной литературы, дополняющие материал прослушанной лекции, подчеркивающие особую важность тех или иных теоретических положений, а также отмечать вопросы, вызвавшие затруднение, с целью дальнейшего их разрешения. В ходе лекции рекомендуется задавать преподавателю уточняющие вопросы с целью уяснения теоретических положений, разрешения спорных ситуаций.

Необходимо систематически прорабатывать лекционный материал в течение семестра, для этого надо изучать основную литературу, знакомиться с дополнительной литературой, при этом учитывать рекомендации преподавателя и требования учебной программы. Следует дорабатывать свой кон-

10

спект лекций, делая в нем соответствующие записи из литературы, рекомендованной преподавателем и предусмотренной учебной программой.

Внимательная работа над лекционным конспектом поможет давать правильные ответы на вопросы текущего контроля, фронтальные опросы в конце лекций.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ СТУДЕНТАМ ПО ПОДГОТОВКЕ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

Важной составной частью изучения дисциплины «Физические основы промышленной электроники» являются практические занятия, в ходе которых теоретический материал, изученный на лекциях, закрепляется путем анализа результатов экспериментальных исследований и решения расчетных и качественных задач различного уровня сложности. Подготовка к практическому занятию делится два этапа:

1)организационный;

2)закрепление и углубление теоретических знаний.

На первом этапе студент планирует свою самостоятельную работу, которая включает:

1)уяснение задания на самостоятельную работу;

2)подбор рекомендованной литературы;

3)составление плана работы, в котором определяются основные пункты предстоящей подготовки.

Составление плана дисциплинирует и повышает организованность в работе.

Задача практических занятий по дисциплине «Физические основы наноинженерии» заключается в:

овладении фундаментальными принципами и методами решения научно-технических задач;

формировании навыков по применению положений фундаментальной физики к грамотному научному анализу ситуаций, с которыми бакалавру придется сталкиваться при внедрении нанотехнологий;

освоении основных физических теорий, позволяющих характеризовать процессы на микро- и наноуровне, уяснении пределов применимости этих теорий для решения современных и перспективных профессиональных задач.

В результате этих занятий студент должен сформировать практические навыки: