2

1. Цели освоения дисциплины Целями освоения специальной дисциплины «Моделирование полупро-

водниковых приборов и устройств на их основе» является знакомство с со-временными методами расчета и моделирования полупроводниковых прибо-ров и радиотехнических устройств, математическими методами расчета ли-нейных и нелинейных схем, моделированием типовых СВЧ элементов: пас-сивных двухполюсников, полевых транзисторов, микрополосковых линий, электродинамических структур.

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата Дисциплина по выбору «Моделирование полупроводниковых приборов и

устройств на их основе» Б1.В.ДВ.6.1 входит в вариативную часть Блока 1 ра-бочего учебного плана по направлению 03.03.02 «Физика» профилю «Фунда-ментальная и экспериментальная физика».

Для освоения курса необходимо знание дисциплины «Основы физики полупроводниковых микроструктур».

Освоение данной дисциплины необходимо как предшествующее для выполнения выпускной квалификационной работы.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освое-ния дисциплины «Моделирование полупроводниковых приборов и уст-ройств на их основе».

В результате освоения дисциплины «Моделирование полупроводнико-вых приборов и устройств на их основе» формируются следующие обще-культурные компетенции:

способность использовать базовые теоретические знания фундамен-тальных разделов общей и теоретической физики для решения профессио-нальных задач (ОПК-3);

способность использовать специализированные знания в области фи-зики для освоения профильных физических дисциплин (ПК-1);

способность проводить научные исследования в избранной области экспериментальных и (или) теоретических физических исследований с по-мощью современной приборной базы (в том числе сложного физического оборудования) и информационных технологий с учетом отечественного и зарубежного опыта (ПК-2).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: принципы функционирования, строение и методы моделиро-

вания полупроводниковых приборов; Уметь: разрабатывать и моделировать простейшие аналоговые и

цифровые устройства; Владеть: методиками моделирования полупроводниковых приборов

и устройств. 4. Структура и содержание дисциплины «Моделирование полупро-

водниковых приборов и устройств на их основе» Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

3

Структура дисциплины «Моделирование полупроводниковых приборов

и устройств на их основе»

Лекциипрактичес

кие занятия

лабораторные

работы

самостоят работа

Введение8 1

1Контрольные

вопросыМатематические методы расчета радиотехнических схем

8Контрольные

вопросыМетоды расчета линейных схем

8 1 1 4 2 Контрольные вопросы

Метод гармонического баланса 8 20,5 3 3

Контрольные вопросы

Метод гармонического баланса при многотоновом воздействии

8 2 0,5 4 3Контрольные

вопросыМетод рядов Вольтерра 8 2 0,5 вопросыМатематическое моделирование элементов СВЧ-техники

8Контрольные

вопросыТипы моделей полупроводниковых устройств.

8 3 0,5 2 3Контрольные

вопросыМоделирование резисторов в СВЧ диапазоне.

8 3 1 2 3 Контрольные вопросы

Моделирование конденсаторов в СВЧ диапазоне.

8 3 0,5 1 3Контрольные

вопросыМоделирование индуктивностей в СВЧ диапазоне.

8 3 0,5 1 3Контрольные

вопросыМодели полупроводников p и n типов.

8 3 1 1 3 Контрольные вопросы

Диффузионная модель p-n перехода.

8 4 1 2 3 Контрольные вопросы

Малосигнальные модели биполярных транзисторов

8 4 1 1 3 Контрольные вопросы

Модель Эберса-Молла биполярного транзистора.

8 4 2 3 3 Протокол лаб. раб. Контр. Вопросы

Модель Гуммеля-Пуна биполярного транзистора.

8 5 2 2 3 Протокол лаб. раб. Контр. Вопросы

Физические основы работы полевых транзисторов.

8 5 2

2

3 Протокол лаб. раб. Контр. Вопросы

Малосигнальные модели полевых транзисторов

8 62 4 2

Протокол лаб. раб. Контр. Вопросы

Модель Матерка полевоготранзистора.

8 72 4 2

Протокол лаб. раб. Контр. Вопросы

Модели МОП транзисторов. 8 8-102 6 3

Протокол лаб. раб. Контр. Вопросы

21 21 21 45 зачет с оценкойИтого:

Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра)

Формы проме-жуто чной аттестации (по

семестрам)

Раздел дисциплины Семестр Неделя семестра

Виды учебной работ ы, включая самостоятель-ную работу студентов и

трудоемкость (в часах)

4

Содержание дисциплины «Моделирование полупроводниковых приборов и устройств на их основе»

Введение.Современные системы автоматического проектирования по-

лупроводниковых СВЧ элементов и схем. Математические методы расчета радиотехнических схем Методы расчета линейных схем. Детерминированные стационарные

линейные системы. Методы Эйлера и Лапласа. Нестационарные ли-нейные системы. Численные методы.

Метод гармонического баланса. Метод Ван дер Поля. Метод Боголю-бова-Крылова.

Метод гармонического баланса при многотоновом воздействии. Метод рядов Вольтерра. Ряды Вольтерра в теории интегральных урав-

нений. Решение нелинейных дифференциальных уравнений с помо-щью рядов Вольтерра.

Математическое моделирование элементов СВЧ техники Типы моделей полупроводниковых устройств. Требования к компакт-

ным моделям. Точность модели. Достоверность моделирования. При-чины низкой достоверности. Фундаментальные (неустранимые) причины. Опережающее развитие технологии. Ошибки при разработ-ке модели и программировании. Ошибки, незамеченные при верифи-кации модели. Ошибки при организации вычислений. Причины орга-низационного характера. Квалификация и ошибки пользователей. Тес-тирование, верификация и валидация. Требования к стандартным мо-делям. Качественные тесты. Количественные тесты. Автоматизация тестирования моделей. Диапазон применимости. Место компактных моделей в САПР СБИС. Стандартизация моделей. Автоматическая ге-нерация моделей. Типы компактных моделей. Модели первых поколе-ний. Модели Level 1, Level2, Level3. Модели BSIM и HSpice Level28. Модели третьего поколения. BSIM3. EKV2. Модели глубоко субмик-ронных и нанометровых транзисторов. Обобщенная структура мо-делей. Модель PSP. EKV3. BSIM4, BSIM5. HiSIM Другие аналити-ческие компактные модели. Альтернативные подходы к моделирова-нию.Упрощенные модели. Табличные модели. Полунатурные модели. Параметры компактных модлей. Экстракция и идентификация пара-метров. Методы оптимизации для экстракции параметров. Осо-бенности экстракции параметров для статистического моделирования. Проектирование тестовых кристаллов. Методика измерений. ЕТ-тесты. Статистическое моделирование. Математическое описание разброса параметров. Параметры моделей для статистического моде-лирования. Экстракция параметров по электрическим тестам. Ти-повые значения разброса параметров. Применение программ ПТ-моделирования. Метод главных компонентов. Геометрические зави-симости разброса . Локальный разброс. Закон Пелгрома. Глобальный

5

разброс. Пространственная корреляция параметров. Совместный учет глобального и локального разброса. Методы статистического модели-рования ИС. Метод наихудшего случая. Метод Монте-Карло. Гра-диентный анализ. Метод поверхности отклика. Планирование экспе-римента. Применение метода главных компонентов в случае про-странственной корреляции параметров. Метод прямых выборок. Ме-тоды статистического моделирования цепей большой размерности. Алгоритм статистического моделирования.

Моделирование резисторов в СВЧ диапазоне. Моделирование конденсаторов в СВЧ диапазоне. Моделирование индуктивностей в СВЧ диапазоне. Модели полупроводников p и n типов. Диффузионная модель p-n перехода. Малосигнальные модели биполярных транзисторов Модель Эберса-Молла биполярного транзистора. Модель Гуммеля-Пуна биполярного транзистора. Шумовая модель

биполярного транзистора. Температурная модель биполярного транзи-стора.

Физические основы работы полевых транзисторов. Малосигнальные модели полевых транзисторов Модель Матерка полевого транзистора. Модели МОП транзисторов. Особенности субмикронных МОП-

транзисторов. Конструкции МОП-транзисторов для СБИС. Методы улучшения характеристик МОП-транзисторы со структурой КНИ. Транзисторы с двойным и окольцовывающим затвором. Транзисторы на углеродных нано-трубках и нанопроводах. Другие типы транзи-сторных структур. Особенности транзисторов для аналоговых приме-нений.

Модели подвижности. Кулоновское рассеяние. Рассеяние на фононах. Рассеяние на шероховатости поверхности. Эффективная подвижность. Насыщение подвижности. Моделирование тепловых процессов. Мо-делирование паразитных элементов. Емкости и заряды. Неквазистати-ческий эффект. Последовательные сопротивления. Ток утечки затвора. Ток утечки истока и стока. Динамика транзисторов с high-k диэлек-триком. Сопротивление подложки. Моделирование шума.

Принципы полунатурного моделирования. Проблемы примене-ния реального транзистора вместо математической модели. Цели полунатурного моделирования. Область применения. Недостатки и достоинства. Структура полунатурной модели. Набор реальных транзисторов для полунатурной модели. Моделирование паразит-ных элементов в полунатурной модели. Емкости, заряды и по-следовательные сопротивления. Неквазистатический эффект. Ток утечки затвора, истока и стока. Регулировка параметров полуна-турной модели. Регулировка длины и ширины канала методом

6

интерполяции. Регулировки с использованием ЕТ-тестов. Алго-ритм идентификации параметров. Верификация методов регули-ровки параметров. Настройка модели по вольтамперным характе-ристикам. Другие методы перестройки параметров. Информаци-онная емкость и погрешность модели. Информационная емкость модели. Погрешность и быстродействие модели. Математические методы и алгоритмы. Постановка задачи. Сшивающие многополюсники. Топологиче-ские преобразования. Синтез сшивающих многополюсников. Особенности реализации метода РФС. Интеграция в САПР.

Перечень лабораторных работ

ЛР 1. Исследование последовательного резонансного контура. ЛР 2. Измерение параметра Ip3 нелинейного усилителя. ЛР 3. Статические характеристики биполярных транзисторов. ЛР 4. Усилитель на биполярном транзисторе. ЛР 5. Статические характеристики полевых транзисторов. ЛР 6. Статические характеристики МОП полевых транзисторов. ЛР 7. Малошумящий усилитель на полевых транзисторах. ЛР 8. Микрофонный усилитель на биполярном транзисторе. ЛР 9. Генератор Ван-Дер-Поля на полевом транзисторе. ЛР 10. Ключ на МОП транзисторе.

5. Образовательные технологии

При изучении дисциплины «Моделирование полупроводниковых при-

боров и устройств на их основе» применяются интерактивные технологии обучения (10 час.) по направлениям:

интернет-ресурсы по изучаемой дисциплине; дискуссионные вопросы и проблемы, которые поднимаются студен-

тами и инициируются лектором; мультимедийные демонстрации различных полупроводниковых при-

боров.

При обучении лиц с ограниченными возможностями здоровья исполь-зуются подходы, способствующие созданию безбарьерной образовательной среды: технологии дифференциации и индивидуализации обучения, приме-нение соответствующих методик по работе с инвалидами, использование средств дистанционного общения.

Для обеспечения дифференцированного подхода обеспечивается мно-гоуровневая подача материала в соответствие с индивидуальными особенно-стями, предоставление учащимся права выбора целей, средств, форм работы,

7

организация работы учащихся в малых группах, самостоятельная работа в собственном диапазоне возможностей, оценка достижения учащихся в соот-ветствии с их возможностями.

Адаптивные технологии при обучении студентов-инвалидов реализу-ются с учетом особенностей этапов обучения:

адаптации и овладения основами обучения, интеграции в коллектив, накопления опыта социально-

адаптированного поведения и учебной деятельности; введения в профессионально-практическую деятельность и накопления

практико-ориентированного опыта; овладения основами профессиональной деятельности; результативный этап.

Каждый этап предусматривает свою специфику сопровождения. В за-висимости от этапа обучения и принадлежности студента к учебной группе используется сопровождение тьюторов.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы сту-дентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, про-межуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

6.1. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

студентов 1. Хвалин А.Л., Сотов Л.С. Моделирование нелинейных аналоговых

физических систем: Учебно-методическое пособие для студентов, обучаю-щихся по физическим специальностям (учебно-методическое посо-бие)/Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. 28 с.

2. Описания к лабораторным установкам. 6.1.1Методические указания по выполнению лабораторных работ

1. Получить у преподавателя задание на выполнение лабораторной рабо-

ты и методическое описание к ней. 2. Ознакомиться с содержанием методического описания к лабораторной

работе. Выделить главные моменты работы: какое физическое явление изу-чается в данной работе, какие физические величины измеряются в данной работе и каковы единицы их измерения, какой метод измерения используется в данной работе и как работает экспериментальная установка, какие соотно-шения используются для нахождения искомой величины по результатам прямых измерений вспомогательных величин.

3. Проработать контрольные вопросы по методическому описанию и ре-комендованной основной и дополнительной литературе, интернет-ресурсам. Подготовиться к предварительному отчету преподавателю.

8

4. Предварительно отчитаться преподавателю по конкретной лаборатор-ной работе, ответить на все поставленные преподавателем вопросы. Полу-чить допуск (разрешение) на выполнение экспериментальной части работы.

5. Выполнить практическую работу, оформить по полученным данным предварительный протокол, таблицы, графики. Показать полученные резуль-таты преподавателю и получить разрешение на завершение работы.

6. Оформить отчет (протокол) по выполненной лабораторной работе, включающий цель, теоретическую часть, рабочую формулу, эксперимен-тальную часть, таблицы, графики, расчет погрешности измерения, выводы.

7. Показать отчет по выполненной лабораторной работе преподавателю, получить зачет по лабораторной работе, роспись преподавателя с датой.

6.1.2Методические указания по выполнению теоретических заданий в рам-ках данных лабораторных работ. 1. Получить у преподавателя теоретическое задание в рамках данной лабо-раторной работы и методическое описание к ней. 2.Ознакомиться с содержанием методического описания к лабораторной работе. Выделить главные моменты работы: какое физическое явление изучается в данной работе, какие физические величины измеряются в дан-ной работе и каковы единицы их измерения, какой метод измерения ис-пользуется в данной работе и как работает экспериментальная установка, какие соотношения используются для нахождения искомой величины по результатам прямых измерений вспомогательных величин. 3.Проработать контрольные вопросы по методическому описанию и реко-мендованной основной и дополнительной литературе, интернет-ресурсам. Подготовиться к предварительному отчету преподавателю. 4 Предварительно отчитаться преподавателю по конкретной лабораторной работе, ответить на все поставленные преподавателем вопросы 5.Выполнить теоретическое задание в рамках данной лабораторной рабо-ты. Показать полученные результаты преподавателю 6.Оформить отчет (протокол) по выполненной работе 7.Показать отчет по выполненной лабораторной работе преподавателю, получить зачет по лабораторной работе, роспись преподавателя с датой.

6.1.3 Методические рекомендации для самостоятельной работы студентов

по освоению дисциплины 1.Необходимо прорабатывать материалы с карандашом и бумагой при

выводе формул и графической интерпретации результатов. 2. Для самостоятельной работы студентам рекомендуется использова-ние электронных справочников и систем поиска по ключевым словам в Internet. 3. Студентам рекомендуется постоянно обращаться к методической и справочной литературе в библиотеку кафедры общей физики.

4. Важную роль в самостоятельной работе студентов играет самокон-троль, который рекомендуется осуществлять по контрольным вопросам и за-даниям рабочей программы дисциплины.

9

5. Рекомендуется каждому студенту выработать собственные способы запоминания большого объема информации, умение ориентироваться и выде-лять основополагающие понятия каждого раздела и подраздела дисциплины.

6.2. .Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,

промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежу-точной аттестации по итогам освоения дисциплины «Моделирование полу-проводниковых приборов и устройств на их основе» приведены в Фонде оце-ночных средств.

7. Данные для учета успеваемости студентов в БАРС

Таблица 7.1 Таблица максимальных баллов по видам учебной деятельности.

1 2 3 4 5 6 7 8

Лекции Лабора-торные занятия

Практиче-ские заня-

тия

Самостоя-тельная работа

Автомати-зированное тестирова-

ние

Другие виды

учебной деятель-

ности

Промежу-точная

аттестация Итого

20 30 20 30 100 Программа оценивания учебной деятельности студента

8 семестр Лекции Посещаемость, опрос, активность и др. за семестр – от 0 до 20 баллов. Лабораторные занятия Контроль выполнения лабораторных заданий в течение семестра - от 0 до 30 баллов. Оценивается самостоятельность при выполнении работы, правиль-ность подсчета погрешности измерения, качество оформления протокола. Практические занятия Не предусмотрены. Самостоятельная работа Подготовка отчетов по лабораторным заданиям в течение одного семестра, составление конспектов лекций - от 0 до 20 баллов. Автоматизированное тестирование Не предусмотрено. Другие виды учебной деятельности Не предусмотрено. Промежуточная аттестация При определении разброса баллов при аттестации преподаватель может вос-пользоваться следующим примером ранжирования: 21-30 баллов – ответ на «отлично» 11-20 баллов – ответ на «хорошо» 6-10 баллов – ответ на «удовлетворительно» 0-5 баллов – неудовлетворительный ответ.

10

Таблица 7.2 Таблица пересчета полученной студентом суммы баллов по дис-циплине «Моделирование полупроводниковых приборов и устройств на их

основе» в оценку (зачет c оценкой):

91 – 100 баллов «отлично»/ «зачтено»

81 – 90 баллов «хорошо» / «зачтено»

61 – 80 баллов «удовлетворительно» / «зачтено»

60 баллов и менее «не удовлетвори-тельно» / «не зачтено»

Таким образом, максимально возможная сумма баллов за все виды

учебной деятельности студента за один семестр по дисциплине «Моделиро-вание полупроводниковых приборов и устройств на их основе» составляет 100 баллов.

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисципли-ны «Моделирование полупроводниковых приборов и устройств на их основе»: а) основная литература:

1. Хвалин А.Л., Сотов Л.С. Моделирование нелинейных аналоговых физических систем: Учебно-методическое пособие для студентов, обучаю-щихся по физическим специальностям (учебно-методическое посо-бие)/Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. 28 с.

б) дополнительная литература:

1. Бубнов А. В. Аналоговая и цифровая схемотехника: учеб. посо-бие / А. В. Бубнов, К. Н. Гвозденко, М. В. Гокова ; Гос. образоват. учрежде-ние высш. проф. образования "Омский государственный технический уни-верситет"). - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010

в) рекомендуемая литература 1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники/M: Мир, Бином, 2009 г.

704 стр. 2. Денисенко В. В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в

микро- и наноэлектронике. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 408 с. г) программное обеспечение и Интернет-ресурсы

http://www.synopsys.com/home.aspx http://web.awrcorp.com/ http://www.aldec.com/ 9. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Моделиро-вание полупроводниковых приборов и устройств на их основе» Компьютерный класс кафедры общей физики СГУ САПР MWO2011, фирма AWR (США), 40 лицензий. САПР фирмы Synopsys (США).

11

Приложение к рабочей программе

Перечень программного обеспечения, используемого при обучении студентов

физического факультета по направлению

03.03.02 Физика

профиль «Фундаментальная и экспериментальная физика»

1 MS Office MS Windows XP, лицензия № 49234524 от 20.12.2007

2 Microsoft Office профессиональный 2007 (Word, Excel, Access, PowerPoint, Outlook, InfoPath,

Publisher) – лицензия № 42226296 3 Windows Vista Home (OEM – лицензия)

Key: GDRRW-J2X3V-CDB2V-4WF89-BMXWQ 4 ПО Promethen Actilnspire, Windows 8.1 Professional. Лицензия № 64257428. Office 2013

Professional Plus. Лицензия № 6427428.Дата начала: 2014-10-23.

5 MS Windows 8 Pro Лицензия: OEM предустановлено поставщиком

6 MS Windows XP Pro 43041632 от 30.11.2007

7 Matlab R2014b Номер лицензии 992352 от 20.01.2015

8 NI LabVIEW 8.5 Номер лицензии M63X92421 от 27.11.2007

9 NI Multisim 9 Номер лицензии 222942012900270640 от 27.11.2007

10 САПР фирмы Synopsys (США). лицензия № 29575 от 29.09.2015

11 САПР фирмы Xilinx (США). лицензия № 20747665200412 от 15.08.2011

12 САПР MWO2011, фирма AWR (США), лицензия № 2590 от 01.11.2016

13 Свободное программное обеспечение на базе операционной системы FreeBSD10.2 со

свободными программными продуктами: среда разработки Code::Blocks (языки

программирования C, C++, Fortran), офисный пакет LibreOffice (текстовый редактор Writer;

табличный редактор Calc; средство создания и демонстрации презентаций Impress; векторный

редактор Draw; редактор формул Math;

система управления базами данных Base), FreeCAD (параметрическая САПР), wxMaxima

(система компьютерной алгебры), браузер FireFox.