ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
«Согласовано»
«Утверждаю»
___________________
Руководитель ООП
по специальности 210601
декан ЭФ проф. В.А. Шпенст
_______________________
Зав.кафедрой ЭС
проф. В.А. Шпенст
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»
Направление подготовки специалиста
210601 – радиоэлектронные системы и комплексы
Квалификация выпускника: специалист
Форма обучения: очная
Составители: доцент каф. ЭС Л.Я. Родос
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
 Рабочая программа составлена с учетом требований
ФГОС ВПО и
рекомендаций ПрООП ВПО по специальности 210601.65 – радиоэлектронные
системы и комплексы;
 на основании учебного плана специальности 210601.65 – радиоэлектронные
системы и комплексы;
-
утверждена ученым советом Университета 19 мая 2012 года.
Составители
доцент Л.Я. Родос
Научный редактор
профессор В.А. Шпенст
ОБСУЖДЕНО
На заседании кафедры ЭС ____.____.20___г.. протокол № ___
ОДОБРЕНО
Методической комиссией специальности (направления) 210601.65 Университета
___.____.2012___г., протокол №
2
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
1. Цели и задачи дисциплины
Целями освоения дисциплины (модуля) «Интегральные устройства
радиоэлектроники» являются: приобретение студентами знаний в области
монолитных интегральных схем (МИС), которые являются основой современных
электронных систем, обеспечение понимания студентами структур интегральных
устройств в их многообразии по выполняемым функциям, технологиям изготовления и
уровню сложности.
В результате изучения дисциплины студент должен овладеть основами знаний по
дисциплине, формируемыми на нескольких уровнях.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к вариативным дисциплинам профессионального цикла
С3.
Дисциплина основывается на знаниях, полученных в предшествующих
дисциплинах: «Математика», «Физика», «Физические основы микроэлектроники»,
«Электроника».
В то же время, знания, приобретенные студентами по дисциплине «Интегральные
устройства радиоэлектроники», будут использованы при изучении таких дисциплин,
как: « Основы проектирования электронных средств» и «Современные методы
конструирования и технологии РЭС», «Микросхемы и микропроцессоры», «Основы
компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств», а также
в курсовом и дипломном проектировании и в дальнейшей производственной
деятельности.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование:
 общекультурных компетенций
ОК1. Владение культурой мышления, способностью к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения
ОК2. Способность логически верно, аргументировано и ясно строить устную и
письменную речь
ОК3. Способность к кооперации с коллегами, работе в коллективе
ОК4. Способность находить организационно-управленческие решения в нестандартных
ситуациях и готовность нести за них ответственность
ОК5. Способность стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и
мастерства
ОК6. Способность критически оценивать свои достоинства и недостатки, намечать
пути и выбирать средства развития достоинств и устранения недостатков
ОК7. Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и
моделирования, теоретического и экспериментального исследования
ОК8. Способность владеть основными методами, способами и средствами получения,
хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как
средством управления информацией
ОК9. Способность работать с информацией в глобальных компьютерных сетях
 общепрофессиональных компетенций
3
ПК1. Способность представлять адекватную современному уровню знаний научную
картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных
наук и математики
ПК2. Способностью выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в
ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий
физико-математический аппарат
ПК3. Готовность учитывать современные тенденции развития электроники,
измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в
профессиональной деятельности
ПК 4. Способность владеть методами решения задач анализа и расчета
характеристик электрических цепей
ПК 5. Способность владеть основными приемами обработки и представления
экспериментальных данных.
В результате освоения дисциплины студент должен:
Иметь представление:
- о многообразии классов интегральных устройств радиоэлектроники;
- о тенденциях современного развития МИС.
Знать:
- основные виды интегральных устройств радиоэлектроники;
- основные характеристики МИС с учетом схемотехнических решений и
применяемой технологии;
- перспективность отдельных классов МИС для применения в современных
электронных системах.
Уметь применять полученные знания при решении задач проектирования
радиоэлектронных средств:
- выбирать оптимальные МИС при проектировании электронных систем;
- определять необходимые средства обеспечения надежности электронных систем с
учетом особенностей параметров МИС, входящих в систему;
- учитывать физическую структуру МИС и тип применяемой технологии при
организации производства радиоэлектронных средств;
- проводить анализ эксплуатации электронных систем с позиции функционирования
МИС, находящихся в составе систем.
Владеть:
- методами расчета отдельных узлов МИС;
- методами оценки блок-схем электронных подсистем с позиции выбора МИС для
решения функциональных задач;
- основами прогнозирования развития технического уровня интегральных устройств
в многофакторном пространстве.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость учебной дисциплины составляет 5 зачётных единиц.
Вид учебной работы
Всего часов
Всего
180
Аудиторные занятия: в том числе
72
Лекции
36
Практические занятия (ПЗ), в том числе в 18
интерактивной форме:
Лабораторные работы
18
108
Самостоятельная работа: в том числе
Контрольные работы
Семестры
5
180
72
36
18
18
108
4
Курсовой проект
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к лекциям, практическим,
лабораторным работам
Выполнение курсовой работы
Работа с литературой
Вид промежуточной аттестации (зачёт,
экзамен)
Общая трудоёмкость
180 час.
5 зач. ед.
24
24
16
64
16
64
Экзамен
180
180
5
5
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1
1
Наименование
раздела дисциплины
2
Содержание раздела
3
Введение.
Интегрирование электронных компонентов в
состав электронных блоков и формирование, таким
образом, интегральных устройств как основное
техническое
направление
совершенствования
радиоэлектронных средств, устройств вычислительной
техники, систем связи и других электронных систем, в
том числе военного назначения.
Монолитные интегральные схемы (МИС) как
основа интегральных электронных устройств. ОК 1-9; ПК
2,4.
Раздел 1.
Основные структуры
интегральных
устройств
1.1Классификация
интегральных
устройств
Определение
интегральных
устройств
радиоэлектроники;
- основные структуры полупроводниковых
интегральных схем (ИС);
- состав элементной базы МИС;
- степень интеграции элементов МИС.
Разнообразие
структур
полупроводниковых
интегральных
схем,
принципы
классификации
интегральных устройств. Понятие «степень интеграции
элементов МИС» как критерий уровня новизны
интегрального устройства. ПК 3,4; ОК 1-9.
1.2Структуры МИС
по типу технологии
и материалу
подложки
- структуры биполярных интегральных схем (ИС);
- структуры ИС на полевых транзисторах;
- комплементарные МОП структуры (КМОП) в составе
ИС;
- объединенные биполярные и КМОП
структуры
(БИКМОП);
- ИС на арсениде галлия.
Основные классы МИС по типу используемой
технологии при их изготовлении: технология биполярных
транзисторов и технология полевых транзисторов.
Разновидности этих технологий: КМОП структуры и
5
№
п/п
Наименование
раздела дисциплины
Содержание раздела
БИКМОП структуры. Разнообразие используемых
материалов подложки (кремний, материалы группы
АIIIВV, композиционные структуры типа кремний на
сапфире (КНС) и другие). ПК 4,5; ОК 1-9.
2
1.3Структуры МИС
по
функциональному и
схемотехническому
признакам
- цифровые логические МИС;
- аналоговые МИС и преобразователи.
Многообразие структур МИС по
функциональному и схемотехническому признакам. Два
крупнейших класса МИС – цифровые и аналоговые
устройства. Использование цифровых МИС при
цифровой обработке данных и, прежде всего, в
компьютерах и других цифровых устройствах.
Использование аналоговых МИС при построении
усилительных, приемо-передающих устройств, а также в
устройствах преобразования сигналов. ОК 1-9; ПК 1,3,4.
Раздел 2. Большие
интегральные схемы
(БИС)
2.1.
Микропроцессорные
системы
- микропроцессоры;
- микроконтроллеры;
- однокристальные микроЭВМ.
Большие интегральные схемы как современные
однокристальные
устройства,
определяющие
в
значительной степени технический уровень электронных
систем, находящихся как в разработках, так и в
эксплуатации.
Микропроцессорные
системы
(собственно
микропроцессоры,
процессорно
ориентированные
микроконтроллеры и однокристальные микроЭВМ) как
основа построения всех устройств вычислительной
техники. ПК 3,4,5; ОК 1-9.
2.2.
Полупроводниковые
запоминающие
устройства (ЗУ)
- деление ЗУ по способу доступа к данным;
- виды ЗУ;
- важнейшие параметры ЗУ;
- энергонезависимые элементы памяти.
Полупроводниковые запоминающие устройства как
класс интегральных схем, занимающих особое место в
иерархии
БИС.
Постоянное
совершенствование
схемотехнических решений ячеек памяти, увеличение
информационной емкости ЗУ при универсальности
применения запоминающих устройств. Неизменное
соответствие данного класса перманентному повышению
технического уровня изделий микроэлектроники. ОК 1-9;
ПК 1,2,4.
2.3.
Базовые
матричные
кристаллы (БМК)
- базовые и функциональные ячейки;
- каналы трассировки в БМК;
- основные параметры БМК.
6
№
п/п
Наименование
раздела дисциплины
Содержание раздела
Обеспечение
функциональной
гибкости
проектируемого объекта при сохранении минимальных
производственных затрат на изготовление различных по
реализуемой
функции
устройств.
Использование
полузаказных
интегральных
схем,
основным
представителем которых являются базовые матричные
кристаллы, в качестве оптимального решения. ПК 1-5;
ОК 1-9.
3
Раздел 3.
Сверхбольшие
интегральные схемы
(СБИС)
3.1. Интегральные
схемы с
программируемой
пользователем
структурой (ИСПС)
3.2. Системы
кристалле (СнК)
3.3. Прогноз
развития СБИС
на
- структуры сверхбольших ИС на полупроводниках
группы АIIIВV
- программируемые логические матрицы (ПЛМ);
- программируемые пользователем вентильные матрицы
(ППВМ);
-технологические методы программирования ИСПС.
Сложность
проектирования
сверхбольших
интегральных схем, обусловленная высоким числом
элементов на кристалле (сотни тысяч и миллионы).
Технология
создания
интегральных
схем
с
программируемой пользователем структурой как способ
снижения остроты данной проблемы. Применение
программируемых логических матриц, вентильных
матриц различной конфигурации в сочетании с
технологией
формирования
вариабельных
межсоединений
элементов.
Разделение
процесса
производства «заготовок» СБИС и его структурного
исполнения в соответствии с заданным алгоритмом
реализации функции. ОК 1-9; ПК 1,3,4.
- сложные функциональные блоки (СФ-блоки)
повторного использования;
- состав СнК;
- системы на программируемом кристалле.
Новейшие структуры СБИС - системы на кристалле и
сложные функциональные блоки. Разработка блоков
повторного использования (СФ-блоков), каждый из
которых
является
функционально
законченной
подсистемой.
Кардинальное изменение методов проектирования при
переходе к созданию систем на кристалле, использующих
как жесткие ядра процессоров, так и программируемые
пространства матриц и вентилей, а также блоки
повторного использования. ПК 3,4,5; ОК 1-9.
- классы прогнозируемых изделий;
- структуры сверхбольших интегральных схем на
полупроводниках группы АIIIВV;
- технологические критерии уровня сложности СБИС;
- количественные показатели в прогнозах развития
СБИС.
7
№
п/п
Наименование
раздела дисциплины
Содержание раздела
Прогнозирование развития СБИС на основе
факторов,
определяющих
уровень
изделий:
технологические критерии, геометрические размеры
структур, параметрические показатели для выбранных
классов изделий, а также экономические критерии
(оценка себестоимости изделий в расчете на единичную
электронную функцию). ПК 1-5; ОК 1-9.
Заключение
Изобретение и введение в широкую практику
микропроцессоров,
программно
ориентированных
устройств позволило сгладить противоречия между
производителями,
желающими
производить
крупносерийную унифицированную продукцию, и
создателями систем, требующими реализации различных
алгоритмов функционирования специализированных
электронных систем. ПК 1-5; ОК 1-9.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№ тем данной дисциплины, необходимых
Наименование
для изучения обеспечиваемых
№
обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
п/п
(последующих)
дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Основы
1
проектирования
1.1 1.2. 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3
электронных средств
2 Современные
методы
1.3 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3
конструирования и
технологии РЭС
3 Микросхемы и
1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3
микропроцессоры
4 Основы
компьютерного
проектирования и
1.1 1.3 2.3 3.1 3.2 3.3
моделирования
радиоэлектронных
средств
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
Наименование
дисциплины
раздела
Раздел 1. Основные
структуры интегральных
устройств
Лекц.
8
Практ. Лабор.
зан.
работы
4
-
СРС*
Всего
час.
20
32
8
2.
Раздел
2.
Большие
интегральные схемы (БИС)
Раздел 3. Сверхбольшие
интегральные схемы (СБИС)
3.
12
6
8
30
56
16
8
10
58
92
Примечание: СРС – самостоятельная работа студентов
6. Лабораторный практикум
№
п/п
1.
№ раздела
дисциплины
Структуры МИС
по типу
технологии и
материалу
подложки
Структуры МИС
по функциональному и
схемотехническому
признакам
Микропроцессорные
системы
2.
3.
Наименование лабораторных работ
№
1.
Исследование
работы
интегрального
биполярного транзистора в микрорежиме и
определение его параметров
№ 2. Исследование структуры и топологии активных
элементов полупроводниковых МИС
№ 3. Исследование структуры и топологии пассивных
элементов интегральных микросхем
7. Практические занятия
№
п/п
№ раздела
дисциплины
Тематика практических занятий (семинаров)
1.
1
Изучение
топологических
монолитных интегральных схем
2.
2
3.
3
Изучение
структуры
особенностей БИС
Изучение
структуры
возможностей СБИС
чертежей
Трудоемкость
(час.)
4
и
функциональных
6
и
функциональных
8
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
ЛИТЕРАТУРА
8.1. Основная литература
1.
Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: учебник для вузов/ Ю.Ф.
Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с.
9
2. Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие для вузов/ Е.П.Угрюмов. –
СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 528 с.
3. Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П.
Степаненко. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2004. – 488 с.
8.2. Дополнительная литература
4 . Немудров, В.Г. Системы на кристалле. Проектирование и развитие / В.Г. Немудров,
Г.А. Мартин. – М.: Техносфера, 2004. - 216 с.
5. Арсенид галлия в микроэлектронике / под ред. Н.Айнспрука, У. Уиссмена. – М.:
Мир, 1988. – 555 с.
6. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника. Физические и технологические основы,
надежность: учеб пособие для вузов / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов. – М.:
Высш.шк., 1986. – 464 с.
7. Ферри, Д. Электроника ультрабольших интегральных схем / Д.Ферри, Л. Эйкерс, Э.
Гринич. – М.: Мир, 1991. – 327 с.
8. Интегральные схемы на МДП-приборах / пер. с англ. под ред. А.Н. Кармазинского. –
М.: Мир, 1975. – 527 с.
8.3. 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. )
8.4. Электронные ресурсы других библиотек:
Национальные отечественные и 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/
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
10
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 специалиста 210601.65
«Радиоэлектронные системы и комплексы».
10. 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 выполнения лабораторных работ и проведения тестирования.
Дисциплина «Интегральные устройства радиоэлектроники», как указывалось выше,
является базовой дисциплиной. 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.
Разработал:
доцент кафедры электронных систем
Л.Я. Родос
11