Министерством образования

Республики Беларусь

« 24 » июня 2001 г.

Регистрационный № ТД -137 / тип

ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

ПО СПЕЦИАЛЬНОСТЯМ 41 01 02 «МИКРОЭЛЕКТРОНИКА»,

39 02 02 «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ»


Составители:

Д.В. Гололобов - доцент кафедры теоретических основ радиотехники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, кандидат технических наук;

В.Т. Першин - доцент кафедры теоретических основ радиотехники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, кандидат физико-математических наук;

В.Н. Синица - доцент кафедры теоретических основ радиотехники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Рецензенты:

Кафедра ядерной физики Белорусского государственного университета

(протокол № 10 от 16 июня 2000 г.);

Кафедрой теоретических основ радиотехники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 1 от 1 сентября 2000 г.);

Советом Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).

Согласована с:

Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по образованию в области электрорадиотехники и информатики;

Главным управлением высшего и среднего специального образования;

Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса Республиканского института высшей школы БГУ.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая программа «Основы радиоэлектроники» разработана для специальностей Т.07.01.00 «Микроэлектроника» и Т.08.01.00 «Проектирование и производство радиоэлектронных средств». Она предусматривает изучение основ теории сигналов, электрических цепей, принципов работы и характеристик дискретных и интегральных элементов полупроводниковой техники, основ аналоговых, цифровых и аналого-цифровых устройств, принципов построения и проектирования радиоэлектронных устройств и систем на базе достижений современной радиоэлектроники. Рассматриваются перспективы развития радиоэлектроники, формулируются насущные задачи современных направлений в данной области науки и техники.

Целью изучения дисциплины является освоение студентами теоретических основ современной радиоэлектроники и использование полученных знаний при проектировании радиоэлектронных устройств и систем.

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательных стандартов и рассчитана на объем 150 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 72 часа, лабораторных работ – 42 часа, практических занятий – 36 часов.

В результате освоения курса «Основы радиоэлектроники» студент дол- жен:

знать:

- методы анализа прохождения сигналов через типовые линейные и нелинейные цепи;

- принципы работы и характеристики электронных компонентов;

- принципы работы основных радиоэлектронных устройств;

- принципы построения современных радиоэлектронных систем;

- основные понятия, задачи и проблемы современной радиоэлектроники;

- рассчитывать характеристики сигналов при их прохождении через радиоэлектронные цепи и устройства;

- рассчитывать основные электрические характеристики и параметры радиоустройств;

- анализировать радиоэлектронные цепи с учетом особенностей их работы при конструировании устройств;

- расчета характеристик и параметров сигналов, цепей и отдельных устройств;

- использования основных методов расчета режимов преобразования сигналов и их аппаратурной реализации;

- измерения характеристик и параметров сигналов, базовых и законченных устройств с помощью контрольно-измерительной аппаратуры;

- моделирования радиоэлектронных процессов и устройств для реализации конкретной прикладной задачи (в том числе с использованием ПЭВМ).
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ
Тема 1. Задачи и направления радиоэлектроники

Радиоэлектроника как область науки и техники. Исторические сведения о развитии радиоэлектроники. Основные направления современной радио-электроники. Структурная схема радиоканала. Связь частоты сигнала с длиной электромагнитной волны. Диапазоны частот по классификации Международного консультативного комитета по радио. Роль дисциплины в выбранной специальности.

Первичные сигналы. Назначение сигналов. Формы представления сигналов. Гармонический анализ периодических и непериодических сигналов. Понятие о спектральной плотности. Теоремы о спектрах. Распределение энергии в спектре.

Радиосигналы. Сигналы с амплитудной, угловой и смешанной модуляцией. Ширина спектра радиосигнала. Манипулированные сигналы.

Теорема Котельникова. Квантование и дискретизация непрерывных сигналов. Цифровое представление сигнала. Импульсно-модулированные колебания.

Помехи, их свойства и математическое описание. Основные статистические характеристики случайных процессов.
Тема 3. Основные понятия радиоэлектронных цепей

Пассивные элементы радиоцепей и их свойства. Модели дискретных и интегральных пассивных элементов.

Воздействие, реакция, понятие о характеристике цепи. Пассивные и активные цепи. Особенности цепей в интегральном исполнении. Задачи анализа и синтеза цепей. Линейные, нелинейные и параметрические цепи.
Раздел 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛИНЕЙНЫХ И НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
Тема 4. Четырехполюсники

Пассивные и активные четырехполюсники. Основные уравнения, параметры и эквивалентные схемы четырехполюсника. Комплексные функции передачи, входные функции и их связь с параметрами четырехполюсника.

Условия согласования, передачи максимальной мощности. Свойства простейших четырехполюсников: RC, RL, линейного трансформатора.
Тема 5. Свойства и методы расчета линейных цепей

с источниками гармонического тока

Комплексные сопротивления и проводимости. Закон Ома и Кирхгофа в комплексной форме. Задачи анализа линейной цепи. Применение уравнения Кирхгофа, методы контурных и узловых напряжений для расчета сложных цепей. Использование принципа суперпозиции, теорема об эквивалентном источнике при анализе цепей. Алгоритмы анализа цепей на ЭВМ. Учет отклонений параметров элементов цепей и наличия паразитных явлений в реальных цепях.

Определения входных, выходных и передаточных комплексных функций. Годограф. Амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики.

Частотные характеристики и годограф простейших RC- и RL-цепей, резонансных последовательных, параллельных, связанных контуров. Влияние сопротивления источника сигнала и нагрузки на характеристики контура, частичное включение. Влияние паразитных явлений, связей и отклонений параметров элементов на характеристики цепей.
Тема 7. Импульсные сигналы в линейных цепях

Дифференциальные уравнения линейных цепей и их решение. Уравнения состояния. Характеристический полином, собственные и вынужденные колебания.

Спектральный метод анализа прохождения сигналов. Влияние частотных и фазовых искажений в линейных цепях на прохождение импульсных сигналов. Использование операторной функции для анализа прохождения сигналов. Определение сигналов по изображениям. Импульсная и переходная функции цепи. Импульсные воздействия в простейших RC- и RLC- цепях. Методы анализа переходных процессов на ЭВМ. Учет влияния на отклики отклонений параметров и паразитных параметров в реальных цепях.
Тема 8. Фильтры

Основные понятия и определения. Фильтры нижних, верхних частот, полосовой и режекторный. Схемы электрических фильтров и методы расчета по характеристическим и рабочим параметрам. Характеристики фильтра без потерь. Понятие о синтезе многозвенных фильтров. Фильтры с сосредоточенной селекцией. Понятие о пьезоэлектрических, электромеханических фильтрах, эквивалентные схемы.

Активные RC-фильтры. Основные определения и схемы активных фильтров. Преимущества активных фильтров.
Тема 9. Цепи с распределенными параметрами

Определение и параметры цепей с распределенными параметрами. Бегущие и стоящие волны в длинной линии. Режимы холостого хода и короткого замыкания. Использование длинных линий в качестве трансформаторов, сопротивлений, изоляторов, колебательных контуров, линий задержки, формирователей импульсов. Элементы с распределенными параметрами в микроэлектронике.

Аппроксимация нелинейных характеристик. Графические и аналитические методы анализа нелинейных цепей под воздействием постоянного тока. Устойчивость рабочей точки. Теория устойчивости.

Нелинейные безынерционные и инерционные цепи при гармоническом и негармоническом воздействиях. Суть метода угла отсечки. Коэффициенты Берга. Машинные методы анализа нелинейных цепей. Параметрические цепи, генераторы, усилители. Энергетические соотношения.
Раздел 3. Полупроводниковые приборы
Тема 11. Общие сведения о полупроводниковых приборах

Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n – перехода. Классификация полупроводниковых приборов. Полупроводниковые резисторы. Полупроводниковые диоды и описание их вольт-амперных характеристик.

Образование двойного перехода. Классификация биполярных транзисторов. Режимы работы биполярного транзистора. Коэффициент передачи по току. Вольт-амперные характеристики транзистора. Эквивалентные схемы биполярного транзистора для случаев большого и малого сигналов. Схемы включения транзистора с общим эмитером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Система Н-параметров и характеристика транзистора в схеме включения с ОЭ. Полевые транзисторы. Классификация и устройство, основные характеристики. Схемы включения полевых транзисторов. Сравнение характеристик полевых и биполярных транзисторов.

Тиристоры: принцип действия, классификация, параметры и вольт-амперные характеристики. Приборы с большим количеством переходов. Особенности технологии и конструкций.

Общие представления об областях применения аналоговых устройств. Особенности цифровых и аналоговых устройств радиоэлектронной аппаратуры. Тенденции комплексной микроминиатюризации радиотехнических цепей.

Аналоговые устройства, определение, роль. Классификация аналоговых устройств.
Тема 15. Усилители слабых сигналов

Назначение, классификация, параметры и характеристики усилителей. Искажения в усилителях. Основная схема усилительного каскада. Методы смещения рабочей точки. Методы стабилизации рабочей точки. Эквивалентные схемы усилительного каскада в области нижних, средних и верхних частот. Влияние паразитных связей. Разброс параметров. Особенности усилительных каскадов в микроэлектронике. Соединения усилительных каскадов. Многокаскадные усилители. Непосредственная связь. Дифференциальный каскад. Операционные усилители (ОУ) и их основные компоненты. Особенности схем интегральных операционных усилителей. Особенности импульсных и избирательных усилителей. Паразитные связи и их влияние на основные параметры устройств. Примеры типовых усилителей на ИМС.

Основные соотношения. Виды обратных связей. Влияние отрицательной обратной связи на параметры и характеристики усилителей. Устойчивость усилителей с обратной связью. Критерий Нейквиста. Цепи коррекции в усилителях. Широкополосные усилители. Ключевой режим работы усилителей.

Примеры операционных усилителей с обратной связью для реализации вычислительных алгоритмов над аналоговыми сигналами.
Тема 17. Усилители большой мощности

Режимы работы усилителей в классах А, В, С и D. Принципы увеличения

мощности и КПД. Зависимость энергетических показателей от режима работы усилителя. Способы возбуждения мощных усилителей. Однотактные и двухтактные апериодические усилители мощности. Особенности схем. Резонансные транзисторные усилители мощности. Режимы работы. Выбор рабочей точки. Конструктивные особенности усилителей большой мощности. Отвод тепла, устранение паразитных связей. Влияние разброса параметров элементов на показатели усилителя.
Тема 18. Генераторы гармонических колебаний

Классификация генераторов колебаний, показатели качества. Принцип генерирования колебаний, условия самовозбуждения.

Генераторы гармонических колебаний. Стационарный режим, условия баланса амплитуд и фаз. Классификация схем автогенераторов. Схемы транзисторных генераторов, генераторы на ИМС. Кварцевые генераторы. Генераторы с отрицательным сопротивлением. RC-генераторы. Управление частотой и стабилизация частоты генераторов. Конструктивные и схемные меры повышения стабильности частоты. Примеры типовых схем.
Тема 19. Преобразователи спектра

Принцип преобразования спектра. Математические основы анализа. Преобразователи частоты. Принцип работы. Основные параметры. Конструктивные и схемные способы устранения паразитных связей.

Модуляторы. Виды амплитудных модуляторов. Модуляторы фазо- модулированных и частотно-модулированных колебаний. Принцип работы, особенности схем и основные характеристики модуляторов. Модуляторы одной боковой полосы сигналов. Амплитудные, частотные и фазовые детекторы. Схемы детекторов, принцип действия, основные характеристики, искажения и способы их устранения.

Конструктивные особенности выполнения. Примеры типовых схем на ОУ.

Устройства формирования импульсных сигналов. Схемы формирования и задержки импульсов. Формирование импульсов из гармонического колебания. Компаратор и пороговое устройство. Одновибратор и мультивибратор: принцип действия, временные диаграммы, период колебаний. Генераторы импульсов большой скважности, напряжения и тока пилообразной формы. Точность и стабильность параметров импульсных генераторов. Конструктивные особенности импульсных устройств и примеры типовых ИМС. Надежность.

Аналоговые микроэлектронные устройства с большой степенью интеграции. Пьезоэлектрические и акустоэлектронные устройства. Оптические аналоговые устройства. Математические и физические проблемы анализа процессов в аналоговых устройствах.

Определение, роль и классификация цифровых устройств на ИМС и БИС. Преимущества цифровых устройств.

Основные понятия, принципы передачи и обработки дискретных сигналов. Основы теории логических схем. Алгебра Буля, логические функции, их представление и преобразование. Понятие о минимизации логических функций и проектировании устройств на цифровых микросхемах.


Тема 23. Логические интегральные элементы

Электронные ключи на биполярных и полевых транзисторах. Классификация, основные параметры и характеристики логических микросхем. Логические интегральные микросхемы различных типов и различной степени интеграции (МИС, СИС, БИС), их сравнение. Интегральные триггеры. Классификация, принцип действия, типы управления. Двухступенчатые триггеры и триггеры с динамическими счетными входами. Универсальный триггер. Примеры типовых МИС и СИС.

Применение динамических элементов. Входные и выходные трансляторы. Регистры, счетчики, шифраторы, дешифраторы, преобразователи кода. Основные типы, структурные схемы, принцип действия, параметры. Полусумматор, сумматор, суммирующие устройства. Арифметические логические устройства. Распределители импульсов БИС-памяти. Преимущества БИС, примеры БИС. БИС в современной бытовой РЭА.

Микропроцессорные БИС. Определение и основные параметры микропроцессоров, особенности структуры и функционирования. Структурная схема и принцип действия типового микропроцессора. Примеры серий микропроцессорных ИС. Основные проблемы применения и использования. Надежность.
Тема 25. Устройство цифровой обработки сигналов

Дискретизация и квантование аналоговых сигналов. Принцип аналого-цифровой обработки информации и сигналов. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Микропроцессор и микроЭВМ – составная часть современных радиоэлектронных систем. Функции, выполняемые микроЭВМ. Структурная схема микроЭВМ, назначение составных частей схемы. Принципы действия процессора, устройств оперативной и долговременной памяти, устройств управления, ввода и вывода информации. Применение микропроцессоров в устройствах обработки информации. Примеры цифровых устройств, используемых в РЭА. Цифровые фильтры, принцип действия и характеристики.

Классификация и основные показатели приемных устройств. Приемник прямого усиления. Приемники информационного и синхронного типа.

Структурная схема радиоприемного устройства амплитудно-модулированных сигналов супергетеродинного типа.

Сопряжение настроек контуров, электронная перестройка частоты, автоматическая регулировка усиления в радиоприемных устройствах.

Специализированные интегральные схемы радиоприемных устройств амплитудно-модулированных сигналов.

Особенности радиоприемных устройств частотно-модулированных сигналов. Фазовая и частотная автоматическая постройка частоты (АПЧ).

Классификация. Основные показатели. Получение модулированных колебаний большой мощности. Борьба с паразитными колебаниями. Сложение мощностей. Обеспечение быстрой перестройки передатчика, установка и стабилизация частоты. Управление, блокировка, сигнализация, конструктивные особенности передатчиков.

Современные радиопередающие устройства разных конструктивных исполнений. Современные тенденции и проблемы передатчиков.
Тема 28. Устройства электропитания

Сетевые трансформаторы устройств электропитания. Однофазные выпрямители переменного напряжения – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые. Расчет электрических характеристик трансформаторов и выпрямителей.

Электронные стабилизаторы напряжения. Анализ показателей работы стабилизатора напряжения: коэффициента полезного действия, коэффициента стабилизации, коэффициента сглаживания пульсаций. Защита стабилизатора напряжения от перегрузок.

Умножители напряжения.

Бестрансформаторные устройства электропитания.
Тема 29. Основы телевидения

Физические основы и принцип передачи изображений. Классификация систем телевещания.

Характеристики телевизионного сигнала.

Стандарты систем вещательного телевидения.

Структурная схема черно-белого телевизора.

Особенности передачи и приема сигналов цветного телевидения.

Цифровая запись и воспроизведение звука. Прием цифрового радиовещания. Системы радиоуправления объектами.

Системы радиопротиводействия.

Телевидение повышенного качества и высокой четкости. Спутниковое телевидение. Цифровое телевидение.

Принципы лазерной записи и воспроизведения.

Системы информационного обслуживания.

Бытовые и персональные ЭВМ.

Многоракурсное и голографическое телевидение.

1. 
   Расчет спектров периодических и непериодических сигналов.
   
2. 
   Расчет параметров и частотных характеристик избирательных цепей.
   
3. 
   Расчет фильтров.
   
4. 
   Нелинейные цепи и режимы преобразования сигналов.
   
5. 
   Расчет усилительных каскадов.
   
6. 
   Расчет генераторов гармонических колебаний.
   
7. 
   Импульсные устройства.
   
8. 
   Устройства на основе цифровых микросхем.
   
9. 
   Расчет основных характеристик приемных устройств.
   
10. 
    Расчет вторичных источников питания.
    

2. Анализ спектров радиосигналов.

3. Исследование цепей переменного тока. Фильтры.

4. Исследование частотно-избирательных цепей.

5. Моделирование усилителей переменного напряжения на ЭВМ.

6. Исследование усилительных каскадов.

7. Исследование нелинейного четырехполюсника.

8. Исследование генераторов гармонических сигналов.

9. Исследование амплитудного модулятора.

10. Исследование амплитудного детектора.

11. Импульсные устройства.

12. Источники питания.

13. Исследование радиоприемников.

14. Исследование логических элементов.

1. 
   Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники. – М.: Радио и связь, 2000.
   
2. 
   Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1990.
   
3. 
   Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. - М.: Высш. шк., 1988.
   
4. 
   Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк., 1991.
   

2. Лосев А.К. Теория линейных электрических цепей. - М.: Высш. шк., 1987.

3. 
   Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высш. шк., 1988.
   
4. 
   Электроника. Энциклопедический словарь. - М.: Сов. энциклопедия, 1991.
   

5. 
   Бочаров Л.Н., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. Расчет электронных устройств на транзисторах. – М.: Энергия, 1978.
   

Утверждена

Республики Беларусь

« 24 »июня 2001 г.

Регистрационный № ТД-169 / тип

А.П. Молочко - доцент кафедры химии Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, кандидат технических наук; Н.П. Соловей - доцент кафедры химии Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, кандидат технических наук

Кафедра физической и коллоидной химии Белорусского государственного технологического университета (протокол № 11 от 25 мая 2000 г.);

И.Н. Савелов - доцент кафедры информационной измерительной техники и технологий Белорусской государственной политехнической академии, кандидат технических наук.
Рекомендована к утверждению в качестве типовой:

Кафедрой химии Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 10 от 17 апреля 2000 г.);

Советом Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).
Согласована с:

Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по образованию в области электрорадиотехники и информатики;

Главным управлением высшего и среднего специального образования; Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса Республиканского института высшей школы БГУ.

ПОЯСНИТЕЛЪНАЯЗАПИСКА

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ «ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ» И ЕЕ МЕСТО

В УЧЕБНОМ IIPOЦECCE

41 01 02 «Микроэлектроника» высших учебных заведений.

Цель преподавания дисциплины состоит в формировании у студентов теоретических знаний и практических навыков в области физической химии в свете задач и современных требований полупроводникового материаловедения и микроэлектроники. Существенное усложнение многих технических систем привело к необходимости глубокого изучения физико-химических процессов, основных закономерностей, определяющих направленность процессов, скорость их протекания, влияния среды, примесей, условия получения максимального выхода необходимой продукции.

Современный инженер должен обладать фундаментальными знаниями, обеспечивающими правильное понимание новых научных фактов, возможность самостоятельно и грамотно разобраться в специальных вопросах, решать комплексно сложные проблемы, используя достижения в области смежных наук. Понимание основных законов химии и физической химии помогает специалисту в решении экологических проблем.

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта и рассчитана на объем 70 учебных часов. Примерное распределение

учебных часов по видам занятий: лекций - 34 часа, лабораторных работ ­17 часов, практических занятий - 17 часов.

На основе данной программы разрабатывается рабочая программа курса «Физическая. химия» в соответствии с количеством часов, отведенных на ее изучение в вузе. При этом допускается изменение последовательности изложения отдельных разделов и их объема.

Важнейшей составной частью учебного процесса при изучении дисциплины «Физическая химия» является лабораторный практикум и практические занятия. Основная цель их состоит в закреплении теоретического материала, приобретении навыков экспериментирования, обработки экспериментальных данных и их анализа, доведения решения задачи до конечного числового результата, воспитания ответственности за результат расчета.

В результате изучения дисциплины студент должен:

иметь представление:

- об общих физико-химических закономерностях, отражающих взаимо­связь между составом, структурой, условиями синтеза и свойствами материалов;

- об основных закономерностях протекания физико-химических процессов;

- о тенденциях развития основных направлений и методов физической химии в связи с современными требованиями микроэлектроники;

- основные теоретические положения химической термодинамики;

- методы термодинамического анализа химических и фазовых равновесий;

- теоретические положения курса при изучении основ технологии получения полупроводниковых материалов;

- в описании состава, структуры и свойств простых и сложных полупроводниковых материалов;

- использования стандартных термодинамических функций в проведении расчетов типичных процессов и установлении критериев их протекания;

- использования Т-Х-диarpамм состояния для выбора условий синтеза, очистки и легирования полупроводниковых материалов.

микроэлектроники с заданными свойствами.

Ионные, металлические и ковалентные кристаллы. Основные типы их структур. Полупроводниковые кристаллы. Особенности химической связи и структуры в элементарных и сложных полупроводниках. Правила Юм-Розери и Музера-Пирсона. Критерии полупроводимости. Химическая связь в структурах типа алмаза, сфалерита и вюрцита. Взаимосвязь между составом, структурой и свойствами фаз.

Точечные и протяженные дефекты в простых полупроводниках и фазах переменного состава. Химическое травление полупроводников, определение плотности дислокаций.
Раздел 2. ТЕРМОДИНАМИКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Термодинамические системы, параметры, процессы и их классификация.

Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия и энтальпия системы. Стандартные энтальпии образования веществ. Расчет тепловых эффектов

химических процессов и фазовых переходов при стандартных условиях и заданной температуре. Закон и уравнение Кирхгоффа.

Второе начало термодинамики. Энтропия и термодинамическая вероятность системы. Изменение энтропии в термодинамических процессах. Энтропия как критерий равновесия и протекания процессов в изолированной системе.

Характеристические функции. Термодинамические потенциалы. Критерии направленности процессов и условия равновесия в закрытых системах. Уравнение Гиббса-Гельмгольца.

Открытые термодинамические системы. Фундаментальные уравнения состояния. Химический потенциал. Термодинамические условия протекания процессов в открытых системах.

Тепловая теорема Нернста. Третье начало термодинамики.

Задачи и возможности химической термодинамики в технологических процессах получения материалов и структур микроэлектроники. Термодинамическая совместимость материалов.

Поверхностное натяжение, свободная и полная энергии поверхности, уравнение Гиббса-Гельмгольца.

Адсорбция на поверхности твердых тел. Молекулярная адсорбция, хемосорбция, десорбция. Изотерма адсорбции Лэнгмюра.

Влияние адсорбции паров воды и газов на электрофизические характеристики приборов.

энергия активации процесса. .

Кинетические и термодинамические условия наступления и сохранения химического и фазового равновесия. Константа равновесия. Уравнения изотермы, изохоры и изобары химической реакции.

Гетерогенные процессы и их многостадийность. Процессы с диффузионным и кинетическим контролем в микроэлектронике.

Термоанализ. Т-Х-диаграммы состояния бинарных систем и их классификация. Диаграммы с неограниченной и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Диаграммы с эвтектическим и перитектическим превращениями, с химическими соединениями. Графический метод определения состава равновесных фаз. Правило рычага.

Особенности построения диаграмм состояния полупроводниковых систем. Р-Т-Х-диаграммы состояния бинарных систем и использование их для выбора условий получения, очистки и легирования полупроводниковых материалов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тенденции развития основных направлений и методов физической химии.

2. Закон распределения Hepнста-Шилова. Определение коэффициента распределения.

3. Термографический анализ. Построение диаграмм плавкости бинарных систем.

4. Химическое травление полупроводников. Определение плотности дислокаций.

1. 
   Расчет изменения энтальпии химических реакций при стандартных условиях.
   
2. 
   Расчет тепловых эффектов процессов при заданной температуре.
   
3. 
   Расчет изменения энтропии и направленности процессов в изолированных системах.
   

5. Расчет энергии активации процесса, константы скорости.

6. 
   Химическое и фазовое равновесие. Определение константы равновесия. Уравнения изотермы, изобары и изохоры.
   
7. 
   Расчет фазовых равновесий в однокомпонентных системах.
   
8. 
   Расчет фазовых равновесий в бинарных системах. Правило рычага.
   
9. 
   Анализ диаграмм состояния полупроводниковых систем. Графическое определение коэффициента распределения.
   

ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Стромберг А.Г. , Семченко Д.П. Физическая химия/под ред. А.Г. Стромберга. – М.: Высш. шк., 1999.
   
2. 
   Краткий курс физической химии/ Под ред. С.Н. Кондратьева. – М.: Высш. шк., 1978.
   
3. 
   Угай Я.А. Введение в химию полупроводников.- М.: Высш.шк., 1989.
   
4. 
   Краткий справочник физико-химических величин/ Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой.- Л.: Химия,1983.
   

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ

1995.

3. Угай Я.А. Неорганическая химия. - М.: Высш. тк., 1989.

4. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию

полупроводников. - М.: Высш.шк., 1973.

5. Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. - М.: Мир, 1978.

Утверждена

Министерством образования

Республики Беларусь

« 24 »июня 2001 г.

Регистрационный № ТД -170 I тип

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАТЕМАТИКА

Кафедрой вычислительных методов и программирования Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 2 от 30 октября 2000 г.);

Советом Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 4 от 23 октября 2000 г.)
Согласована с:

Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по образованию в области электрорадиотехники и информатики;

Главным управлением высшего и среднего специального образования; Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса Республиканского института высшей школы БГУ.

ПОЯСНИТЕЛЪНАЯЗАПИСКА

Целью изучения дисциплины является освоение основных алгоритмов вычислительной математики, ознакомление с основными постановками задач математической физики, изучение современных методов их решения, получение практических навыков алгоритмизации, программирования и расчета на ЭВМ типовых задач микроэлектроники.

параболического типов и классические постановки задач для этих уравнений ­

краевые задачи, задачи с начальным условием, задачи нахождения собственных значений. В настоящее время имеется большое число стандартных пакетов программ для моделирования многих технологических задач, на основе вычислительных методов решения вышеуказанных задач математической физики. Для уверенного владения такими пакетами и умения адаптировать их к решению возникающих задач специалисту необходимо знать, что заложено в их основе.

В настоящем курсе наряду с основными методами численного анализа изучаются современные методы вычислительной математики решения задач микроэлектроники: уравнения теплопроводности, нахождения собственных значений, оптимизации функций многих переменных.

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательных стандартов и рассчитана на объем 50 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций - 32 часа, лабораторных работ - 18.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

-освоить наиболее эффективные и часто используемые на практике методы численного анализа;

-знать основные постановки задач для уравнений математической физики и современные численные методы их решения;

-уметь выполнять алгоритмизацию и программирование решения уравнения типа теплопроводности;

-уметь выполнять алгоритмизацию и программирование методов оптимизации функции многих переменных.

Решение систем линейных алгебраических уравнений, метод простой

итерации, метод Зейделя, метод Гаусса, метод прогонки.

Тема 3. АППРОКСИМАЦИЯ ФУНКЦИЙ

квадратов, сплайны.

Простейшие формулы численного дифференцирования. Квадратурные

формулы средних, трапеций, Симпсона, Гаусса.
Тема 5. РЕШЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ

Методы дихотомии, простой итерации, Ньютона, Вегстейна, парабол.

Методы дихотомии, золотого сечения, последовательного перебора,

парабол.

Тема 7. РЕШЕНИЕ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ

Тема 8. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ В ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ

Построение конечноразностных схем. Понятие аппроксимации и

Вывод уравнения и физические постановки задач. Понятие метода подобия, приведение задачи к безразмерному виду

Построение однородных конечно-разностных схем для решения одномерного параболического уравнения с разрывными коэффициентами. Анализ аппроксимации и устойчивости. Алгоритмическая реализация явной и неявной схем решения одномерного парболического уравнения.

Тема 12. ПОСТРОЕНИЕ ДВУХМЕРНОГО IlAPАБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ

Тема 13. РЕШЕНИЕ ДВУХМЕРНОГО УРАВНЕНИЯ ПУАССОНА

Тема 14. ПРОЕКЦИОННЫЙ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ

Тема 15. ПРОЕКЦИОННО-СЕТОЧНЫЙ МЕТОД

основе проекционных методов и финитных функций.

Постановка задач нахождения собственных значений и собственных функций для дифференциальных уравнений. Классификация методов. Сведение задачи нахождения собственных значений для дифференциальных уравнений к решению алгебраической проблемы.

Классификация методов. Итерационные алгоритмы: Якоби, АР, QR, LP.

Условный, безусловный минимум, вариационные задачи. Методы минимизации функции n-переменных. Классификация алгоритмов. Решение задачи оптимизации.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Раздел 1. ОСНОВЫ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ

29
1. Составление и отладка программ реализации алгоритмов решения систем линейных алгебраических уравнений. Алгоритмы метода Гаусса, прогонки, квадратного корня, простой итерации, Зейделя.

2. Составление и отладка программ по методам аппроксимации функций.

Алгоритмы интерполяции и метода наименьших квадратов.

3. Составление и отладка программ по формулам численного дифференцирования и интегрирования. Алгоритмы методов средних, трапеций, Симпсона, Гаусса.

4. Составление и отладка программ по методам решения нелинейных уравнений. Алгоритмы дихотомии, простой итерации, Ньютона, секущих,

Вегстейна, квадратичной параболы.

5. Составление программ нахождения минимума функции одной переменной.

Алгоритмы методов золотого сечения, последовательного спуска,

квадратичной и кубической параболы.

6. Составление и отладка программ по методам решения дифференциальных

уравнений. Алгоритмы методов Эйлера, Рунге-Кутта, Адамса.
Раздел 2. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
1. Решение краевой задачи для одномерного уравнения теплопроводности

методом сеток.

2.. Решение нестационарного одномерного уравнения теплопроводности,

используя явную и неявную конечно-разностные схемы.

3. Решение краевой задачи для двухмерного уравнения Пуассона методом

итераций с использованием релаксации.

4. Решение одномерной краевой задачи для уравнения теплопроводности

методом Галеркина.

5. Решение двухмерной краевой задачи методом конечных треугольных

элементов. 6. Нахождение собственных значений матрицы. 7. Нахождение минимума функции многих переменных.

1. Калиткин Н.Н. Численные Методы. - М.: Наука, 1978.

2. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырный П.И.. Вычислительные методы.

T.l,2. - М.: Наука, 1976, 1977.

3. Крылов В.И., Бобков В.В., Монастырный П.И. Начала теории вычислительных методов. Уравнения в частных производных. - Мн.: Наука и техника, 1986.

4. Волков Е.А Численные методы. - М.: Наука, 1982.

5. Самарский А.А Введение в численные методы. - М.: Наука, 1982.

6. Марчук Г.И., Агошков В.И. Введение в проекционно-сеточные методы. - М.: Наука, 1981.

7. Банди Б. Методы оптимизации. - М.: Радио и связь, 1988. 1. Калиткин Н.Н.. Численные Методы. - М.: Наука, 1978.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ

2. Васильев Ф.Н Численные методы решения экстремальных задач. - М.:

Наука, 1980.

3. Бахвалов Н.С. Численные методы. - М.: Наука, 1975.

4. Березин И.С., Жидков НЛ. Методы вычислений. Т.1,2. - М.: Физматгиз;

1962, 1970.

5. Синицын АК, Навроцкий АА. Практикум по курсу «Алгоритмы вычислительной математики». - Мн.: БГУИР, 2002.

Утверждена

Министерством образования

Республики Беларусь

« 24 » июня 2001 г.

Регистрационный № ТД -171 / тип
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 41 01 02 <<МИКРОЭЛЕКТРОНИКА»

Кафедрой микроэлектроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники (протокол № 2 от 30 сентября 2000 г.); Советом Белорусского государственного университета информатики и радио­электроники (протокол № 4 от 23 ноября 2000 г.).

Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по образованию в области электрорадиотехники и информатики;

Главным управлением высшего и среднего специального образования; Центром методического обеспечения учебно-воспитательного процесса Республиканского института высшей школы БГУ.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗAПИСКА

Типовая программа «Статистическая физика и квантовая механика» разработана для студентов специальности 41 01 02 «Микроэлектроника».

ЦЕЛЬ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Задачей курса является изучение фундаментальных физических законов, лежащих в основе поведения микрочастиц, в том числе и систем из них. Курс «Статистическая физика и квантовая механика» является фундаментальным базисным курсом в процессе подготовки специалистов специальности"

является основой для последующего изучения таких дисциплин, как «Физика твердого тела», «Физика полупроводниковых приборов», «Микроэлектроника» и др.
ПЕРЕЧЕНЬ ДИСЦИПЛИН С УКАЗАНИЕМ РАЗДЕЛОВ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДАННОГО КУРСА

Высшая математика: 1) дифференциальное и интегральное исчисление; 2) элементы теории вероятностей и математической статистики.

Общая физика: 1) классическая механика; 2) молекулярная физика и термодинамика; 3) электромагнетизм; 4) оптика.

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательных стандартов и рассчитана на объем 68 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций - 51 час, практических занятий ­17 часов. Курс читается в Ш семестре и заканчивается зачетом. По завершению курса выполняется курсовая работа.

Тема 1. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСВЕЛЛА И БОЛЬЦМАНА

Распределение частиц в пространстве при отсутствии внешних силовых полей. Распределение Максвелла. Распределения по скоростям, по модуто импульса и по энергии, функция распределения. Термоэлектронная эмиссия. Экспериментальная проверка распределения Максвелла.

Неоднородность распределения частиц в пространстве при наличии потенциальных силовых полей. Принцип детального равновесия. Связь распределения Больцмана с распределением Максвелла. Постоянная Болъцмана. Контактная разность потенциалов. Метод само согласованного поля.
Тема 2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГИББСА. СВЯЗЬ СТАТИСТИКИ

С ТЕРМОДИНАМИКОЙ

Функция распределения Максвелла-Больцмана. Распределение Гиббса как обобщение распределения Максвелла-Больцмана. Одноатомный идеальный газ. Флуктуации в измерительных приборах. Реальный газ. Уравнение состояния. Уравнение Гиббса-Гельмгольца. Энтропия и её смысл. Энтропия и второе начало термодинамики. Теплоемкость.

Каноническое распределение в квантовой статистике. Энтропия и третье начало термодинамики. Принцип максимума энтропии. Большое каноническое распределение Гиббса. Распределение Бозе-Эйнштейна. Распределение Ферми­Дирака. Невырожденный электронный газ. Вырожденный электронный газ. Теплоемкость газов при учете квантовых эффектов.

Тема 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫE ОСНОВАНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

для световых квантов и их экспериментальная проверка. Атомизм микромира. Волны де Бройля. Дифракция микрочастиц.

Тема 6. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Тема 7. ИЗОБРАЖЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ОПЕРАТОРАМИ

квадратичное отклонение. Собственные значения и собственные функции операторов. Основные свойства собственных функций. Вычисление вероятностей измерений. Условия возможности одновременного измерения разных механических величин. Операторы координаты импульса микрочастицы. Перестановочные соотношения. Оператор момента импульса микрочастицы. Операторы энергии. Гамильтониан.

Уравнение Шредингера. Законы сохранения в квантовой механике. Стационарные состояния. Производные операторов по времени. Уравнения Гамильтона. Теоремы Эренфеста. Уравнения Ньютона. Интегралы движения.

Закон сохранения энергии в квантовой механике.
Тема 9. СВЯЗЬ С КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКОЙ. КВАЗИКЛАССИЧЕСКОЕПРИБЛИЖЕНИЕ

Связь квантовой механики с классической механикой. Квазиклассическое приближение. Метод Вентцеля-Крамерса-Брилтоэна.

Представления состояния квантовых систем. Представления операторов в матричной форме. Матрицы и их свойства. Среднее значение и спектр величины, представляемой оператором в матричной форме. Уравнение Шредингера и зависимость операторов от времени в матричной, форме. Унитарные преобразования. Гейзенберговское взаимодействия. Матрица плотности.

ПОТЕIIЦИAЛЬНЫХ СИЛ

Гармонический осциллятор. Движение в поле центральной силы (общие положения). Движение в кулоновском поле. Атом водорода. Движение электрона в периодическом поле кристалла.
Тема 12. СОБСТВЕННЫЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ И МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ ЭЛЕКТРОНА

Спин электрона. Оператор спина электрона. Спиновые функции. Уравнение Паули. Расщепление спектральных линий в магнитном поле. Эффект Зеемана. Полный момент импульса. Нумерация термов.

Постановка задачи теории возмущений. Возмущение в отсутствие и при наличии вырождения. Эффект Штарка. Задача теории квантовых переходов. Поглощение и излучение света. Принцип Ритца. Правила отбора. Дисперсия. Комбинационное рассеяние. Фотоэлектрический эффект.

Тема 14. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СТОЛКНОВЕНИЙ

Постановка задачи и простейшие случаи. Туннельный эффект. Кажущаяся парадоксальность «туннельного эффекта». Явления, объясняемые с помощью туннельного эффекта, его применение.

Задача многих тел в квантовой механике. Закон сохранения полного импульса системы микрочастиц. Движение центра тяжести системы микрочастиц. Закон сохранения момента импульса системы микрочастиц. Собственные функции оператора момента импульса системы. Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени. Системы микрочастиц, совершающих малые колебания в твердых телах. Движение частиц во внешнем поле.

Принцип тождественности микрочастиц. Симметричные и антисимметричные состояния. Частицы Бозе и частицы Ферми. Принцип Паули. Волновые функции для системы частиц Ферми и частиц Бозе. Вторичное квантование. Квантовая статистика. Газ Ферми-Дирака и Бозе­Эйнштейна.

Многоэлектронные атомы. Обменная энергия. Квантовая механика атома и периодическая система элементов Менделеева. Образование молекул. Природа химических сил. Парамагнетизм и диамагнетизм атомов. Ферромагнетизм. Атомное ядро.

«Статистическая физика и квантовая механика» - базовая физическая дисциплина для твердотельной электроники, включая микро- и наноэлектронику. Примеры использования квантовой механики и статистической физики в физике твердого тела, физике полупроводниковых приборов, микроэлектронике и наноэлектронике.

1. 
   Операторы в квантовой механике.
   
2. 
   Одномерное движение.
   
3. 
   Движение в центральном поле.
   
4. 
   Квазиклассическое приближение.
   
5. 
   Приложения квантовой механики для системы микрочастиц.
   
6. 
   Распределения Максвелла, Больцмана, Гиббса.
   
7. 
   Кинетическое уравнение Больцмана.
   
8. 
   Приложения статистической физики в твердотельной электронике.
   

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ КУРСОВЫХ РАБОТ

1. 
   Расчет уровней энергии частицы в прямоугольной потенциальной яме.
   
2. 
   Расчет уровней энергии частицы в поле потенциальной энергии.
   
3. 
   Расчет коэффициента прохождения частицы через потенциальный барьер.
   

5. Расчет коэффициента прохождения частицы через колокольный потенциальный барьер.

6. Расчет коэффициента отражения частицы от колокольного потенциального барьера.

7. Расчет электрического поля около примесного положительного иона.

ОСНОВНАЯ

1. 
   Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. - М.: Наука, 1976.
   
2. 
   Васильев А.М. Введение в статистическую физику. - М.: Высш. шк., 1980.
   
3. 
   Галицкий В.М., Карнаков Б.М., Коган В.И. Задачи по квантовой механике. М.: Наука, 1992.
   

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ

1. 
   Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Наука, 1974.
   
2. 
   Ансельм А.И. Основы статистической физики и термодинамики. - М.: Наука, 1973.
   
3. 
   Терлецкий Я.П. Статистическая физика.- М.: Высш. шк., 1973.
   
4. 
   Киреев П.С. Физика полупроводников. - М.: Высш. шк., 1975.