- Nazwa przedmiotu:
- Mikroelektronika
- Koordynator przedmiotu:
- dr hab. inż Andrzej PFITZNER, prof. PW
- Status przedmiotu:
- Fakultatywny ograniczonego wyboru
- Poziom kształcenia:
- Studia I stopnia
- Program:
- Elektronika i Telekomunikacja
- Grupa przedmiotów:
- Przedmioty kierunkowe obieralne
- Kod przedmiotu:
- MIKZ
- Semestr nominalny:
- 5 / rok ak. 2020/2021
- Liczba punktów ECTS:
- 6
- Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:
- 145 Uzasadnienie: Bilans nakładu pracy przeciętnego studenta: studia wykładowe z podręcznikiem (10 wykładów): 45 h, uzupełniające studia literaturowe: 15 h, rozwiązanie zadań problemowych (z podręcznika): 35 h, wykonanie zadań symulacyjnych: 20 h, przygotowanie do egzaminu (rozwiązanie przykładowych zadań problemowych i testowych): 10 h, udział w konsultacjach grupowych u prowadzącego i drogą elektroniczną (np. Skype), dyskusja wyników symulacjii oraz egzamin: (4 do 6) + (12 do 10) + 2 + 2 = 20 h. Łączny nakład pracy studenta wynosi zatem: 45 + 15 + 35 + 20 + 10 + 20 = 145 h
- Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:
- 1
- Język prowadzenia zajęć:
- polski
- Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:
- 3
- Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:
-
- Wykład30h
- Ćwiczenia15h
- Laboratorium0h
- Projekt15h
- Lekcje komputerowe0h
- Wymagania wstępne:
- Przedmiot Mikroelektronika wymaga znajomości podstawowych zagadnień z fizyki w zakresie elektromagnetyzmu i fizyki ciała stałego oraz z teorii obwodów.
Przydatne są też wiadomości z Podstaw Elektroniki.
- Limit liczby studentów:
- 30
- Cel przedmiotu:
- Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z modelami elementów układów scalonych oraz podstawowymi technologiami ich wytwarzania.
W warstwie praktycznej celem jest wykształcenie umiejętności prawidłowego przeprowadzania symulacji układów elektronicznych, korzystając z programów takich jak SPICE, będących składnikami systemów komputerowego wspomagania projektowania (CAD) układów scalonych. Obejmuje to w szczególności umiejętność właściwego wykorzystywania modeli elementów oraz definiowania i wyznaczania ich parametrów spójnych z technologią wytwarzania.
Ambicją autora przedmiotu jest przekazanie studentom podstawowej wiedzy i umiejętności z obszaru mikroelektroniki w sposób spójny, nastawiony na zrozumienie zagadnień (a nie pamięciowe opanowanie informacji encyklopedycznych) oraz ułatwienie samodzielnych studiów dla pogłębienia wiadomości i zdobywania nowych kompetencji w miarę rozwoju elektroniki i inżynierii komputerowej.
- Treści kształcenia:
- Wprowadzenie
• Technologie mikroelektroniczne
• Komputerowo wspomagane projektowanie, rola modelowania elementów
• Wprowadzenie do symulacji elektrycznej – program SPICE
Modelowanie elementów układów elektronicznych
Diody półprzewodnikowe
• Wiadomości wstępne
• Prądy rekombinacji-generacji
• Mechanizm przepływu prądu
• Charakterystyka prądowo-napięciowa
• Właściwości małosygnałowe złącza p-n: zależności prądowo-napięciowe, elementy schematu zastępczego
• Praca impulsowa diody: charakterystyki czasowe, model ładunkowy
• Model diody dla symulacji komputerowej: schemat i parametry modelu, wyznaczanie parametrów elektrycznych
Tranzystory bipolarne
• Wiadomości wstępne
• Model Ebersa-Molla: koncepcja modelu, zależności prądowo-napięciowe, parametry statyczne
• Charakterystyki statyczne tranzystora bipolarnego: charakterystyki tranzystora npn w różnych konfiguracjach
• Efekty zależne od punktu pracy: rezystancje obszarów quasi-neutralnych, zmiany współczynnika wzmocnienia prądowego, obszar bezpiecznej pracy tranzystora
• Właściwości małosygnałowe tranzystora bipolarnego: schematy zastępcze i ich parametry, zakres małych i wielkich częstotliwości, częstotliwości graniczne tranzystora bipolarnego
• Przełączanie tranzystora bipolarnego: przebiegi czasowe, inwerter bipolarny
• Model tranzystora bipolarnego dla symulacji komputerowej: schemat i parametry modelu, wyznaczanie parametrów elektrycznych
Tranzystory polowe
• Wiadomości wstępne. Struktura MIS
• Struktura fizyczna i zasada działania tranzystora MOS
• Charakterystyki prądowo-napięciowe tranzystora MOS
• Parametry statyczne tranzystora MOS
• Właściwości małosygnałowe tranzystora MOS: modele i ich parametry dla małych i dużych częstotliwości
• Przełączanie tranzystora MOS w układzie inwertera
• Model tranzystora MOS dla symulacji komputerowej: schemat i parametry modelu, wyznaczanie parametrów elektrycznych
Realizacje mikroelektroniczne
Technologie wytwarzania układów scalonych
• Specyfika układów scalonych
• Technologie i rodzaje izolacji: technologie bipolarne, technologie MOS
Podstawowe operacje procesów technologicznych
• Wytwarzanie warstw przewodzących i dielektrycznych
• Operacje litografii
• Domieszkowanie (implantacja, dyfuzja)
• Montaż i hermetyzacja
Wybrane konstrukcje scalone
• Elementy pasożytnicze
• Realizacje tranzystorów pnp, diod i elementów pasywnych
• Komórki pamięci półprzewodnikowych
• Tendencje rozwoju mikroelektroniki
- Metody oceny:
- Zaliczenie przedmiotu Mikroelektronika dokonywane jest na podstawie pracy bieżącej i podczas egzaminu.
Oceny cząstkowe są formułowane w systemie punktowym w proporcji:
do 30 punktów – za pracę bieżącą, tj. rozwiązanie zadań wskazanych w ciągu półsemestru,
do 70 punktów – za egzamin pisemny.
W ramach egzaminu można uzyskać:
do 20 punktów – za test,
do 50 punktów – za część zadaniowo-problemową.
Oceny końcowe wystawiane są następująco:
od 91 do 100 punktów – bardzo dobra (5)
od 81 do 90 punktów – ponad dobra (4,5)
od 71 do 80 punktów – dobra (4)
od 61 do 70 punktów – dość dobra (3,5)
od 51 do 60 punktów – dostateczna (3)
do 50 punktów – niedostateczna (2)
Test egzaminacyjny polega na wybraniu prawidłowej odpowiedzi spośród czterech możliwości na każde z 10 pytań dotyczących wykładu.
Celem części zadaniowo-problemowej egzaminu jest sprawdzenie stopnia zrozumienia prezentowanych zagadnień oraz umiejętności rozwiązywania problemów praktycznych posługiwania się modelami elementów układów scalonych, wyznaczaniem parametrów tych modeli oraz charakteryzowaniem właściwości elektrycznych elementów i podstawowych układów. Egzamin obejmuje zatem:
- rozwiązywanie zadań obliczeniowych,
- wyjaśnianie i ilustrowanie obserwowanych efektów
- rozwiązywanie problemów stosując odpowiednie metody modelowania i analizy,
- proponowanie procedur eksperymentalnych wyznaczania parametrów.
W realizacji przedmiotu kluczową rolę odgrywają dostarczane do samodzielnego rozwiązywania problemy i zadania. Pomagają one zrozumieć i utrwalić materiał wykładowy oraz nabyć wymagane umiejętności. Równocześnie ułatwiąją przygotowanie się do egzaminu, do którego są zbliżone średnim stopniem trudności.
- Egzamin:
- tak
- Literatura:
- Literatura podstawowa:
1. A. Pfitzner, Mikroelektronika, 2009, podręcznik multim. na stronie przedmiotu
Do rozwiązywania części zadań i problemów korzysta się z symulatora PSPICE udostępnionego publicznie przez Cadence Design Systems, Inc. (http://pcb.cadence.com): OrCAD Pspice Demo Version 9.1 jest również dołączona do wykładu.
Literatura uzupełniająca:
2. A. Pfitzner, E. Piwowarska, W. Pleskacz, Podstawy Elektroniki, podręcznik multim. (CD) PW, 2002
3. W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT Warszawa, kilka wydań od 1987
4. J. Porębski, P. Korohoda. SPICE program analizy nieliniowych układów elektronicznych. WNT, 1996
5. Praca zbiorowa, Elementy i układy elektroniczne, projekt i laboratorium. WPW, 2007.
7. R. L. Geiger, P. E. Allen, N. R. Strader, VLSI design techniques for analog and digital circuits, McGraw-Hill, Inc. 1994
- Witryna www przedmiotu:
- https://inz.okno.pw.edu.pl/
- Uwagi:
- W zasadniczej części przedmiot Mikroelektronika oparty jest na przedmiotach z tej tematyki prowadzonych w różnych wersjach przez autora od 1980 roku na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej.Jest też uzupełnieniem do przedmiotu Układy Scalone, poświęconego głównie aspektom projektowym.
Termin mikroelektronika powstał jako określenie obszaru techniki obejmującego realizację, tj. zaprojektowanie i wyprodukowanie podzespołów elektronicznych w czasach, kiedy układy elektroniczne realizowane były przez połączenie dyskretnych (indywidualnych) elementów aktywnych i biernych na płytach drukowanych. Człon mikro odróżniał te elementy elektroniczne od makroskali całego układu, a ponadto nawiązywał do najlepszych wówczas osiągnięć w redukcji części wymiarów do poziomu mikrometrowego.
Postęp technologii mikroelektronicznych i rozwój metod projektowania doprowadziły do realizacji całych systemów elektronicznych w postaci monolitycznych półprzewodnikowych układów scalonych (System on Chip). Wskazuje to nie tylko na scalenie technologiczne, ale także na postępującą integrację wielu obszarów elektroniki i inżynierii komputerowej w metodologii projektowania. O ile w aspekcie technik wytwarzania tradycyjne rozumienie obszaru mikroelektroniki w zasadzie nie zmieniło się, chociaż korzysta się z coraz bardziej wyrafinowanych, precyzyjnych (na skalę nawet nanometrową) operacji technologicznych, to w odniesieniu do realizacji „podzespołów” termin mikroelektronika stał się bardzo pojemny i jest używany niejednoznacznie.
Niniejszy przedmiot nawiązuje w dużym stopniu do tradycyjnej nazwy mikroelektronika przy czym płytkę drukowaną zastąpił monolityczny układ scalony (chip), którego elementy są w centum uwagi zamiast dawnych dyskretnych przyrządów.
Efekty uczenia się
Profil ogólnoakademicki - wiedza
- Charakterystyka W1
- Ma podstawową wiedzę o konstrukcji, zasadzie działania, właściwościach i modelach diod półprzewodnikowych
Weryfikacja: Rozwiązania zadań problemowych w trakcie półsemestru, egzamin (test+część problemowa)
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_W05, K_W13, K_W15
Powiązane charakterystyki obszarowe:
I.P6S_WG, I.P6S_WK
- Charakterystyka W2
- Ma podstawową wiedzę o konstrukcji, zasadzie działania, właściwościach i modelach tranzystorów bipolarnych
Weryfikacja: Rozwiązania zadań problemowych w trakcie półsemestru, egzamin (test+część problemowa)
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_W05, K_W13, K_W15
Powiązane charakterystyki obszarowe:
I.P6S_WK, I.P6S_WG
- Charakterystyka W3
- Ma podstawową wiedzę o konstrukcji, zasadzie działania, właściwościach i modelach tranzystorów polowych
Weryfikacja: Rozwiązania zadań problemowych w trakcie półsemestru, egzamin (test+część problemowa)
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_W05, K_W13, K_W15
Powiązane charakterystyki obszarowe:
I.P6S_WG, I.P6S_WK
- Charakterystyka W4
- Zna podstawowe technologie mikroelektroniczne i procesy wytwarzania układów scalonych
Weryfikacja: Odpowiedzi na pytania zamieszczone w podręczniku, egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_W05, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:
I.P6S_WG, I.P6S_WK, III.P6S_WG.o
- Charakterystyka W5
- Zna podstawowe konstrukcje elementów w układach scalonych i rolę elementów pasożytniczych
Weryfikacja: Odpowiedzi na pytania zamieszczone w podręczniku, egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_W05, K_W06, K_W15
Powiązane charakterystyki obszarowe:
I.P6S_WG, I.P6S_WK, III.P6S_WG.o
Profil ogólnoakademicki - umiejętności
- Charakterystyka U1
- Potrafi wyznaczać charakterystyki elementów półprzewodnikowych (diód, tranzystorów bipolarnych i MOS) na podstawie parametrów konstrukcyjnych.
Weryfikacja: Rozwiązania zadań problemowych, ocena pracy podczas półsemestru, egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_U05, K_U07, K_U13
Powiązane charakterystyki obszarowe:
I.P6S_UU, I.P6S_UW, III.P6S_UW.3.o
- Charakterystyka U2
- Potrafi dobierać parametry konstrukcyjne przyrządów półprzewodnikowych w celu uzyskania zadanych właściwości elektrycznych
Weryfikacja: Rozwiązania zadań problemowych, ocena pracy podczas półsemestru, egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_U05, K_U07, K_U13
Powiązane charakterystyki obszarowe:
I.P6S_UU, I.P6S_UW, III.P6S_UW.3.o
- Charakterystyka U3
- Potrafi wyekstrahować parametry modeli diód, tranzystorów bipolarnych i MOS na podstawie ich charakterystyk elektrycznych
Weryfikacja: Rozwiązania zadań problemowych i symulacyjnych, ocena pracy podczas półsemestru, egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_U05, K_U07, K_U13, K_U17
Powiązane charakterystyki obszarowe:
I.P6S_UU, I.P6S_UW, III.P6S_UW.3.o, III.P6S_UW.1.o
- Charakterystyka U4
- Potrafi dobierać modele, formułować pliki wejściowe i przeprowadzać symulacje komputerowe oraz wyznaczać parametry elektryczne elementów układów scalonych
Weryfikacja: Rozwiązania zadań problemowych i symulacyjnych, ocena pracy podczas półsemestru, egzamin
Powiązane charakterystyki kierunkowe:
K_U13, K_U17, K_U05, K_U07
Powiązane charakterystyki obszarowe:
III.P6S_UW.3.o, III.P6S_UW.1.o, I.P6S_UU, I.P6S_UW