Учебно-методическое объединение вузов Республики Беларусь Учреждение образования «Белорусский государственный университет

Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники»
Учебно-методическое объединение вузов Республики Беларусь
по образованию в области информатики и радиоэлектроники
УТВЕРЖДАЮ
Председатель УМО вузов Республики
Беларусь по образованию в области
информатики и радиоэлектроники
____________________М.П. Батура
12.05.2006
Регистрационный № ТД-58-002/тип
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
И МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальности I-58 01 01 Инженерно-психологическое обеспечение
информационных технологий
СОГЛАСОВАНО:
Учебно-методическое управление БГУИР
_____________А.М.Ткачук
_______________________
Минск 2006
СОСТАВИТЕЛЬ:
К.Д.Яшин, доцент кафедры инженерной психологии и эргономики Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
И.А. Малевич, профессор кафедры «Лазерная техника и технология» Учреждения образования «Белорусский национальный технический университет»,
доктор физико-математематических наук;
Кафедра
«Информационно-измерительная техника и технологии»
Учреждения образования «Белорусский национальный технический университет» (протокол № 6 от 22.11.2005.)
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ ТИПОВОЙ:
Кафедрой инженерной психологии и эргономики Учреждения образования
«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол № 4 от 23.11.2005.);
Научно-методической секцией по специальности 1-58 01 01Инженернопсихологическое обеспечение информационных технологий УМО вузов
Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол № 2 от 10.01.2006.)
Ответственный за выпуск: Ц.С.Шикова
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Типовая программа по дисциплине «Функциональная электроника и
микросистемная техника» разработана для специальности 1-58 01 01 Инженерно-психологическое обеспечение информационных технологий высших
учебных заведений. Дисциплина является частью специальной подготовки
инженера по специальности «Инженерно-психологическое обеспечение информационных технологий» с квалификацией инженер-системотехник. Целью дисциплины «Функциональная электроника и микросистемная техника»
является формирование знаний о физических и технологических принципах
построения изделий функциональной электроники, применении этих изделий
в качестве элементной базы в современной аппаратуре; кроме того, целью
дисциплины является формирование знаний о физических и технологических
принципах построения микрочипов изделий микросистемной техники, а также формирование знаний о технологических принципах изготовления сверхбольших интегральных систем.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
приобрести знания:
- в таких областях как современная классификация основных направлений
электроники, современная классификация основных направлений функциональной электроники, классификация основных направлений микросистемной техники, классификация основных технологий микросистемной техники,
физико-химические принципы основных операций изготовления СБИС;
знать:
принципы построения микроизделий по методу функциональной интеграции;
принципы построения технологических процессов изготовления изделий
микросистемной техники и СБИС;
уметь:
самостоятельно найти в инженерной литературе и применить на практике способы расчетов изделий функциональной электроники;
способы расчетов основных технологических операций микросистемной
техники и СБИС;
иметь навыки анализа:
принципов работы изделий функциональной электроники;
принципов работы ключевых изделий микросистемной техники и микроэлектроники;
уметь пользоваться:
- научно-технической, справочной, учебной и вспомогательной литературой
по функциональной электронике и микросистемной технике;
уметь характеризовать:
- место и роль элементной базы изделий функциональной электроники и
микросистемной техники в современной аппаратуре;
иметь представление:
- о перспективных разработках в области развития компьютерной техники,
выполняемых с использованием современных достижений функциональной
электроники.
Программа рассчитана на объём 136 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций –68 часа, практических
занятий – 34 часа, лабораторных работ – 34 часа.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Тема 1. ВВЕДЕНИЕ В ФУНКЦИОНАЛЬНУЮ ЭЛЕКТРОНИКУ
Современная классификация основных направлений электроники. Понятие вакуумной, твердотельной и квантовой электроники. Введение в твердотельную электронику. Классификация направлений твердотельной электроники с точки зрения использования различных исходных материалов.
Введение в микроэлектронику. Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС).
Ультрабольшие интегральные схемы (УБИС). Наноэлектроника. Введение в
функциональную электронику. Функциональная электроника (функциональная интеграция), как одно из направлений твердотельной электроники. Классификация основных направлений функциональной электроники, физические
эффекты, создаваемые приборы.
Тема 2.ОПТОЭЛЕКТРОНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Основы оптической электроники (оптоэлектроники) и создаваемые
приборы. Направления исследований, физические основы и классификация
оптоэлектронных устройств. Светоизлучатели. Фотоприёмники. Оптические
волноводы. Основы интегральной оптики. Оптоэлектронные микросхемы.
Волоконная оптика. Линии связи, элементная база волоконно-оптических
линий связи. Аналоговая и цифровая связь. Передача информации в цифровом виде. Диагностика волоконно-оптических систем связи. Оптические
компьютеры.
Тема 3. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
Принцип действия приборов с зарядовой связью. Основные устройства
на приборах с зарядовой связью. Запоминающие устройства на приборах с
зарядовой связью. Техническое зрение. Цифровые фотокамеры и приборы с
зарядовой связью.
Тема 4.МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКА И МАГНИТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Основы магнитоэлектроники и создаваемые приборы, физические основы. Магнитные материалы. Природа ферромагнетизма. Доменная структура ферромагнетиков. Цилиндрические магнитные домены. Магнитоэлектронные микросхемы. Структура и управление памятью на цилиндрических
магнитных доменах. Магнитооптика, основные магнитооптические устройства и микросхемы. Магнитооптический модулятор. Магнитооптический дефлектор.
Тема 5.АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА И АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Основы акустоэлектроники и создаваемые приборы, физические основы. Акустоэлектронные явления. Встречно-штырьевой преобразователь.
Преобразователь информации на поверхностных акустических волнах.
Устройства акустоэлектроники. Акустооптика, основные акустооптические
устройства и микросхемы. Акустооптический модулятор. Акустооптический
дефлектор. Материалы для акустооптических устройств.
Тема 6. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И КВАНТОВОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Введение в квантовую электронику, физические основы, создаваемые
приборы. Оптические квантовые генераторы, лазеры, как основное коммерческое направление квантовой электроники. Спонтанное и вынужденное излучение. Принцип действия лазеров. Характеристики лазерного излучения.
Классификация лазеров по агрегатному состоянию рабочего вещества. Полупроводниковые лазеры на гетероэпитаксиальных структурах. Получение гетероэпитаксиальных структур. Применение лазеров. Квантовые компьютеры.
Квантовая криптография. Квантовые информационные системы.
Тема 7. ДРУГИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И СОЗДАВАЕМЫЕ УСТРОЙСТВА
Введение в хемоэлектронику и создаваемые устройства. Введение в
молекулярную электронику и создаваемые устройства. Молекулярные компьютеры. Введение в биомолекулярную электронику. Биокомпьютеры.
Нанобиоинформационные системы в медицине. ДНК-компьютеры. Нейрокомпьютеры.
Тема 8. ВВЕДЕНИЕ В МИКРОСИСТЕМНУЮ ТЕХНИКУ
Понятие микросистемной техники, современные термины, терминология. Чем вызвано появление нового направления в твердотельной электронике – микросистемной техники. Истоки появления микросистемной техники.
Микроэлектромеханические системы (МЭМС, MEMS). Микрооптоэлектромеханческие системы (МОЭМС, MOEMS). Компоненты микросистемной
техники. Основные направления развития микросистемной техники. Классификация изделий микросистемной техники и основные направления разработок. Микромашины. Аналитико-технические (технологические) микросистемы. Микроинструмент. Миниатюрные транспортные средства. Минироботы.
Некоторые конкретные примеры изделий микросистемной техники.
Тема 9. МИКРОАППАРАТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИЗДЕЛИЙ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ
Изделия микросистемной техники и их применение. Микротехника и
микромашины. Летательные микроаппараты на основе микросистемной техники. Микровертолёты на основе микросистемной техники. Микрокосмиче-
ские информационные аппараты на основе микросистемной техники. Развитие подводных микроаппаратов с использованием микросистемной техники.
Тема 10. 3D-ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ
Микрообработка – технологическая основа микросистемной техники.
Объёмная и поверхностная микрообработка. Базовые технологические операции модифицирования и удаления материалов микросистемной техники.
Литографические процессы микросистемной техники. Разновидности технологий объёмной микрообработки. Технология глубинного объёмного травления. Технология на подложках фотоситалла. Сущность и основные стадии
LIGA-технологии. Волоконная технология. Изготовление деталей с винтообразными поверхностями. Основы технологии молекулярно-лучевого формооб-разования. Технология поверхностной микрообработки с «жертвенными»
слоями. Интегрированная MEMS-технология. MUMP’s – технология. Основы
материаловедения микросистемной техники (микроэлектромеханических систем). Классификация материалов микросистемной техники. Конструкционные, функционально активные и адаптивные материалы микросистемной
техники. Сплавы с памятью формы. Свойства SiC и AIN.
Тема 11. СОЗДАНИЕ МИКРОДАТЧИКОВ И МИКРОИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ В СОСТАВЕ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Микросенсоры. Микросенсоры для контроля основных физических и
химических параметров сред. Некоторые примеры создания микродатчиков в
составе микроэлектромеханических систем. Основы микроэлектромеханики.
Микроактюраторы. Электростатические, магнитные, пьезоэлектрические,
гидравлические и тепловые микроактюраторы. Микроисполнительное
устройство для хирургической имплантации. Новый тип 3D–запоминающего
устройства от IBM. Микрооптоэлектромеханические системы (МОЭМС).
Управляемые микрозеркала. Дифракционные микрорешетки. Микролинзы
Френкеля. Электрооптические, акустооптические, магнитооптические микромодуляторы. Планарные и объёмные микроволноводы.
Тема 12. НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ И DARPA-ПРОЕКТЫ
Исследования, проводимые в области микроэлектромеханических систем в Японии. Минироботы. Проблемы проектирования, производства и
внедрения изделий микросистемной техники. Управляемые биологические
микросистемы. Биоробототехнические микросистемы. Микробиоподобные
системы. Биоподобные наземные микросистемы. Биоподобные подводные
микросистемы. Распределенные робототехнические микросистемы. Микророботы с динамически изменяемой структурой (трансформеры). Предельно
малые роботы (микророботы). Применение микророботов. Биоробототехнические микросистемы. Поиск новых технических средств управления микророботами.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Оптоэлектронные устройства: конструкция, расчеты.
2. Оптроны: конструкция, расчеты.
3. Светоизлучающие диоды: конструкция, расчеты.
4. Фоторезисторы: конструкция, расчеты.
5. Фотодиоды: конструкция, расчеты.
6. Фототранзисторы: конструкция, расчеты.
7. Диэлектрические микроволноводы: конструкция, расчеты.
8. Фокусирующие элементы в интегральной оптике: конструкция, расчеты.
9. Волноводные модуляторы и переключатели оптического диапазона: конструкция, расчеты.
10. Источники излучения для интегральной оптики: конструкция, расчеты.
11. Фотоприемники в интегрально-оптических устройствах: конструкция,
расчеты.
12. Оптическое согласование и связь компонентов интегральной оптики:
конструкция, расчеты.
13. Активные элементы интегральной оптики: конструкция, расчеты.
14. Элементы оптоэлектронных микросхем: конструкция, расчеты.
15. Примеры оптоэлектронных микросхем: конструкция, расчеты.
16. Жидкокристаллические индикаторы: конструкция, расчеты.
17. Устройства на приборах с зарядовой связью: конструкция, расчеты.
18. Устройства задержки на приборах с зарядовой связью: конструкция, расчеты.
19. Запоминающее устройство на приборах с зарядовой связью: конструкция,
расчеты.
20. Магнитоэлектронные устройства: конструкция, расчеты.
21. Преобразователи Холла: конструкция, расчеты.
22. Магниторезисторы: конструкция, расчеты.
23. Магнитодиоды: конструкция, расчеты.
24. Магнитотранзисторы: конструкция, расчеты.
25. Магнитные запоминающие устройства на цилиндрических магнитных
доменах: конструкция, расчеты.
26. Акустоэлектронные устройства: конструкция, расчеты.
27. Фильтры на поверхностных акустических волнах: конструкция, расчеты.
28. Линии задержки на поверхностных акустических волнах: конструкция,
расчеты.
29. Квантовоэлектронные приборы: конструкция, расчеты.
30. Полупроводниковый лазер: конструкция, расчеты.
31. Компьютеры будущего: оптические, квантовые, молекулярные, биомолекулярные, нейронные, ДНК-компьютеры. Общие понятия и физические
принципы разработок.
32. Биополярная и МОП-технология изготовления микроизделий: режимы,
оборудование, расчеты.
33. Сборка и герметизация микроустройств: режимы, оборудование, расчеты.
34. Испытания микроустройств: режимы, оборудование, расчеты.
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Оптоэлектронные устройства: конструкция, технология.
2. Устройства на приборах с зарядовой связью: конструкция, технология.
3. Магнитоэлектронные устройства: конструкция, технология.
4. Акустоэлектронные устройства: конструкция, технология.
5. Квантовоэлектронные устройства: конструкция, технология.
6. Тестирование по базовым технологиям функциональной электроники.
7. Тестирование по изделиям функциональной электроники.
8. Изучение базы данных по материалам функциональной электроники и
микросистемной техники.
9. Изучение базы данных гетероэпитаксиальных материалов для полупроводниковых лазеров и микрооптоэлектромеханических систем.
10. Мультимедийное представление трех основных технологий микросистемной техники: LIGA, поверхностная и объемная.
11. Представление технологического оборудования по микроэлектронике и
микросистемной технике.
12. Классификация материалов микросистемной техники.
13. Изучение понятийного аппарата по микроэлектромеханическим системам
с использованием электронного терминологического словаря.
14. Тестирование по базовым технологиям микроэлектромеханических систем.
15. Введение в базовые блоки и основные команды модуля Sugar в Mathlab.
16. Статистический анализ, анализ устойчивого состояния и переходных
процессов микроисполнительных устройств в модуле Sugar.
17. Моделирование параметров пьезоэлектрического микроактюра в ANSYS.
18. Обзор и анализ интернет-ресурсов по микроактюаторам.
19. Обзор и анализ интернет-ресурсов по микроэлектромеханическим системам.
20. Квантовые информационные системы: примеры и применение.
21. Нанобиоинформационные системы и технологии в медицине: примеры и
применение.
22. Полупроводниковые А2В6 нанокристаллы: получение свойства, применение.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
1. Хандогин М.С. Электронные приборы. Уч. пос. – Мн.: БГУИР, 2005.
2. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника. Учебник. – М.:
Высшая школа, 2004. – 790 с.
3. Валенко В.С. Электроника и микросистемотехника. Уч. пос. – Мн.: Бестпринт, 2003.
4. Протасов Ю.С. Твердотельная электроника. Уч. пос. – М.: МГТУ, 2003.
5. Костюкевич А.А. Технологические процессы изготовления типовых деталей электронной аппаратуры. В 2-х ч. Учебное пособие. – Мн.: БГУИР, 2002.
6. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. Учебник.-М.:Высш. шк., 2001.
7. Валенко В.С. Электроника и микросистемотехника. Уч. пос. – Мн.: Беларусь, 2000.
8. Булычев А.Л. Электронные приборы. – М.: Лайт, 2000. – 416 с.
9. Булычев А.Л. Электронные приборы. Уч. пос. – Мн.: Вышэйшая. школа, 1999.
10. Бобровский Ю.Л. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника.
Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1998.
11. Ткаченко Ф.А. Учебное пособие. – Мн.: БГУИР, 1997. – 203 с.
12. Емельянов В.А. Системы качества в микроэлектронике. Учебное пособие.
– Мн.: Беларуская навука, 1997. – 143 с.
13. Прянишников В.А. Электротехника и основы электроники. Учебное пособие. – Мн.: Высшая школа, 1996.
14. Аваев Н.А. Электронные приборы. Учебник. – М.: МАИ, 1996. – 544 с.
15. Мошинский А.В. Электроника и микросхемотехника. Лекции. Мн.: БГУИР, 1995.
16. Зотов А.А. Физические основы устройств функциональной электроники.
Учебной пособие. – Тамбов, ТИХМ, 1993.
17. Березин А.С. Технология и конструирование интегральных микросистем.
Учебное пособие. – М.: Радио и связь, 1992.
18. Гусев Б.Г. Электроника. Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1991.
19. Аваев Н.А. Основы микроэлектроники. Уч. пос. – М.: Радио и связь, 1991.
20. Игумнов Д.В. Основы микроэлектроники. Учебник. – Мн.: Выш. шк., 1991.
21. Крылов К.И. Основы лазерной техники. Уч. пос. – Л.: Машиностроение,1990.
22. Жеребцов И.Л. Основы электроники. Уч. пос. – Л.: Энергоатомиздат, 1989.
23. Миловзоров В.П. Элементы, устройства и обеспечение информационнопреобразовательных систем. Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1989.
24. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. – М.: Наука, 1988.
25. Зайцев Э.Ф. Физич. основы функц. электроники. Уч. пос. Л. ЛПИ, 1988.
26. Зайцев Э.Ф. Новые направления современной радиофизики и функциональной электроники. Учебное пособие. – Л., ЛПИ, 1987.
27. Ефимов И.Е. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем,
функциональная микроэлектроника. Учебное пособие.– Мн.: Высшая школа, 1987.
28. Гусев О.Б. Акустооптические измерения. - Л.: ЛГУ, 1987.
29. Расчет электронных схем. Примеры и задачи. Уч. пос. .–М.:Высш. шк.,1987.
30. Булычев А.Л. Электронные приборы. Уч. пос. – Мн.: Высш. шк., 1987. – 316 с.
31. Епифанов Г.И. Твердотельная электроника. Уч. пос.–Мн.:Высш. шк.,1986.
32. Мошинский А.В. Электроника и микросхемотехника. Лекции.–Мн.:БГУИР,1986.
33. Технология СБИС/под редакцией 3и, книги 1 и 2. – М.: Мир, 1986.
34. Ефимов И.Е. Микроэлектроника: физические и технологические основы,
надежность. Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1986. – 464 с.
35. Батушев В.А. Электронные приборы. Учебник. – М.: Высш. шк., 1980.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1. МусаевЭ.С. Оптоэлектронные устройства на полупроводниковых излучателях. – М.: Радио и связь , 2004.-208с.: ил.
2. Кипнис И.Ю., Лацапнев Е.В., Яшин К.Д. Англо-русский терминологический словарь по микросистемной технике. – Мн.: БНТУ, 2004.-98с.
3. Электрон. приборы и устройства. Справоч. книга. – М.: РадиоСофт, 2002.
4. Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. Справочник в 5-ти т. – М.: ИП РадиоСофт, 2000. – 512с.
5. Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. Справочник. В 3-х т. – М.: РадиоСофт, 1999. – 544.: ил.
6. Емельянов В.А. Вакуумно-плазменные способы формирования защитных
и упрочняющих покрытий: - Мн.: НПО «Интеграл», 1998.
7. Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. Справочник. – М.: РадиоСофт, 1998. – 512 с.: ил.
8. Методы контроля параметров твердотельных структур СБИС. Под ред.
Емельянова В.А. – Мн.: Бестпринт, 1998. – 64с.
9. Камнев А.Б. Технология и оборудование производства изделий электронной техники. – М.: Радио и связь, 1991.
10. Малышева И.А. Технология производства ИМС. – М.: Радио и связь, 1991.
11. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. – М.:
Радио и связь, 1991. – 528 с.
12. Валиев К.А. Физика субмикронной литографии. – М.: Наука, 1990.
13. Ключников В.П., Яшин К.Д. Проблемы и перспективы разработки полупроводниковых гетероэпитаксиальных структур//Журнал «Техника средств
связи», серия «Технология, производство, оборудование», вып. 2, 1990, с. 18.
14. Свечников Г.С. Интегральная оптика. – Киев: Навука и думка, 1988.
15. Свечников Г.С. Элементы интегрированной оптики – М.: Радио и связь,
1987.
16. Шермегор Т.Д. Пленочные пьезоэлектрики. – М.: Радио и связь, 1986.
17. Рябов С.Г. Приборы квантовой электроники. – М.: Радио и связь, 1985.
18. Броудай И. Физические основы микротехнологии. – М.: Мир, 1985.
19. Быстров Ю.А. Электронные приборы для отображения информации. – М.:
Радио и связь, 1985.
20. Рябов С.Г. Приборы квантовой электроники. – М.: Радио связь, 1985.
21. Яшин К.Д. Современ. оборудование для химич. осаждения пленок из газов. фазы/ Зарубежная электрон. техника, М., ЦНИИ «Электроника», 1982.
22. Авторское свидетельство 900761 (СССР). Способ создания полупроводниковых приборов с зарядовой связью/ Резников Б.С., Яшин К.Д. – 1981.
23. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты: элементы и
устройства на поверхностных акустических волнах. – М.: Советское радио,
1980.
24. www.micromachine.narod.ru.