Рабочая программа дисциплины «наноэлектроника» Направление подготовки бакалавра 210100-электроника и наноэлектроника

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

Согласовано	Утверждаю
___________________ Руководитель ООП по направлению 210100 декан ЭФ проф. В.А. Шпенст	_______________________ Зав.кафедрой ЭС проф. В.А. Шпенст

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«НАНОЭЛЕКТРОНИКА»

Направление подготовки бакалавра
210100–электроника и наноэлектроника
Профиль: Промышленная электроника
Квалификация выпускника: бакалавр
Форма обучения:очная

Составитель: доцент каф. ЭС И.И. Растворова

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

НАНОЭЛЕКТРОНИКА
1. Цели и задачи дисциплины

Целью дисциплины является изучение Формирование научной основы для осознанного и целенаправленного использования полученных знаний при создании элементов, приборов и устройств микроэлектроники и наноэлектроники. Задачами курса служат расширение научного кругозора и эрудиции студентов на базе изучения законов физики низкоразмерных полупроводниковых структур для последующего использования их при создании приборов наноэлектроники, твердотельной электроники и в технологии микро- и наноэлектроники.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина относится к базовому циклу профессионального цикла Б.3 основной образовательной программы подготовки специалистов 210100 «Электроника и наноэлектроника».

Для освоения этой учебной дисциплины требуется предварительная освоение дисциплин: «Физика», «Математика», «Химия», «Физические основы электроники».

Дисциплина является предшествующей для освоения отдельных разделов учебных дисциплин «основы технологии компонентной электронной базы», «Оптическая электроника», а также для выполнения выпускной квалификационной работы.

3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

- владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);

- способен стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства (ОК-6);

- способен осознавать социальную значимость своей будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности (ОК-8);

- использует основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);

- способен понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности (ОК-11);

- способен работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-13);

- способен выявлять естественно-научную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2);

- способен учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);

- способен собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологий (ПК-6);

- способен собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области электроники и наноэлектроники (ПК-18);

- способен строить простейшие физические и математические модели приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения, а также использовать стандартные программные средства их компьютерного моделирования (ПК-19);

- способен аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения (ПК-20).

В результате освоения дисциплины студент должен:

Знать:

- этапы развития электроники, микроэлектроники и наноэлектроники;

- основы развития электроники;

- элементы квантовой физики;

- полупроводниковые структуры;

- методы получения компактных нанокристаллических материалов;

- о преемственности этапов развития электроники;

- новую научную базу наноэлектроники;

- научные и технологические основы наноэлектроники;

- элементы и приборы наноэлектроники, принципы их построения;

- основы проектирования элементов наноэлектроники;

- технические средства нанотехнологий.

Уметь:

- творчески подходить к решению задач возможного применения объектов наноэлектроники в профессиональной деятельности;

- строить физические и математические модели приборов, устройств наноэлектроники;

- реализовывать на практике методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, устройств наноэлектроники;

- оценивать перспективы наноэлектроники в светотехнике.

Владеть:

- информацией о физических основах работы приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых;

- информацией о физических основах технологических процессов наноэлектроники, приборов и технологий их изготовления;

- информацией об интегральных схемах с нанометровыми технологическими размерами и изделиях электроники на основе наноэлектронной элементной базы;

- информацией о методах синтеза и получения нанокристаллических материалов;

- информацией о принципах технологических операциях, обеспечивающих нанометровые размеры интегральных элементов, методах проектирования интегральных устройств на основе наноструктур.

4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость учебной дисциплины составляет 6 зачётных единиц.

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
Вид учебной работы	Всего часов	6
Всего	144	144
Аудиторные занятия: в том числе
Лекции	17	17
Практические занятия (ПЗ), в том числе в интерактивной форме:	34	34
Самостоятельная работа: в том числе	57	57
Контрольные работы
Курсовой проект
Реферат	27	27
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к лекциям, практическим занятиям	35	35
Работа с литературой	20	20
Вид промежуточной аттестации (экзамен)	Экзамен	Экзамен
Общая трудоёмкость час. зач. ед.	144	144
Общая трудоёмкость час. зач. ед.	4	4

5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела
1	Электроника и элементы квантовой физики	Этапы развития наноэлектроники Связь электроники и квантовой физики. Основные представления квантовой механики. Квантовая модель атома. Понятие о потенциальных ямах и барьерах. Микрочастица в прямоугольной потенциальной яме. Туннельный эффект. Энергетический спектр кристалла. Собст-венная электропроводность полупроводни-ков. Примесная электропроводность полу-проводников. Эффект компенсации примес-ных уровней. Энергетические зоны на грани-це дырочного и электронного полупро-водников. Понятие эффективной массы электрона. Неравновесная электропро-водность собственного полупроводника. Зависимость электропроводности полупро-водников от температуры. Полупровод-никовые материалы в твердотельной электронике.
2	Полупроводниковые структуры	Роль полупроводниковых структур в микро- и оптоэлектронике. Электронно-дырочный переход и его свойства. Транзисторы. Элементы оптоэлектроники. Гетеропере-ходы. Р-n-переход как схемный элемент ИМС.
3	Методы синтеза нанокристаллических порошков	Газофазный синтез (конденсация паров). Плазмохимический синтез. Осаждение из коллоидных растворов. Термическое разло-жение и восстановление. Механосинтез. Детонационный синтез и электровзрыв. Упорядочение нестехиометрических соединений. Синтез высокодисперсных оксидов в жидких металлах. Само-распространяющийся высокотемпературный синтез.
4	Получение компактных нанокристаллических материалов	Компактирование нанопорошков. Осаждение на подложку. Кристаллизация аморфных сплавов. Интенсивная пластическая деформация.
5	Методы определения размеров малых частиц	Электронная микроскопия. Дифракционный метод. Суперпарамагнетизм, седиментация, фотонная корреляционная спектроскопия, газовая адсорбция и газовая фильтрация.
6	Микроструктура и свойства компактных нанокристаллических материалов	Границы раздела в компактированных наноматериалах. Исследование наноматериалов методом аннигиляции позитронов. Особенности структуры субмикрокристаллических металлов. Наноструктура неупорядоченных систем. Аномалии механического поведения. Тепловые и электрические свойства. Магнитные свойства.
7	Предпосылки перехода от микро- к наноэлектронике	Основные этапы технологии ИМС . Получение полупроводникового материала. Получение полупроводниковых пластин. Получение эпитаксиальных структур. Методы формирования элементов ИМС. Литография. О преемственности этапов развития электроники. Краткий обзор новой научной базы наноэлектроники.
8	Физические основы наноэлектроники	Квантоворазмерные эффекты. Простейшие виды низкоразмерных объектов. Энергетический спектр электронов и плотность электронных состояний в низкоразмерных областях. Резонансный туннельный эффект. Полупроводниковые сверхрешетки. Одноэлектронные устройства. Некоторые явления и устройства спинтроники. Некоторые устройства молекулярной электроники
9	Технические средства нанотехнологий	Два подхода к изготовлению структур в нанотехнологиях. Эпитаксиальные методы получения наноструктур. Нанолитография. Зондовые нанотехнологии. Углеродные нанотрубки. Формирование квантовых точек и проволок. Контакты к отдельным молекулам. Линейная мера для измерений с помощью электронных и атомно-силовых микроскопов.

5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами

№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	№ № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Основы технологии компонентной электронной базы	+	+		+	+	+	+	+	+
2	Оптическая электроника	+	+		+		+	+	+	+
3	Выпускная квалификационная работа				+		+	+	+

5.3. Разделы дисциплин и виды занятий

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Лекции	Практ зан.	Семинары	СРС	Всего часов
1	Элементы квантовой физики	1	-	-	5	6
2	Полупроводниковые структуры	2	2	-	5	9
3	Методы синтеза нанокристаллических порошков	2	-	-	6	8
4	Получение компактных нанокристаллических материалов	2	-	-	6	8
5	Методы определения размеров малых частиц	2	8	-	7	17
6	Микроструктура и свойства компактных нанокристаллических материалов	2	8	-	7	17
7	Предпосылки перехода от микро- к наноэлектронике	2	-	-	7	9
8	Физические основы наноэлектроники	2	8	-	7	17
9	Технические средства нанотехнологий	2	8	-	7	17

6. Лабораторный практикум
Не предусмотрен

7. Тематика рефератов

1.Простейшие виды низкоразмерных объектов: квантовая яма, квантовая нить, квантовая точка.

2. Важнейшие квантовомеханические характеристики тел.

3. Энергетические спектры 2D- и 3D-электронного газа.

4. Электронный газ в квантовой нити (1D-газ, 0D-газ).

5. Влияние кванторазмерных эффектов на свойства вещества.

6. Сверхрешетки. Энергетические диаграммы сверхрешеток. Энергетический спектр электронов в сверхрешетках. Свойства электронного газа в сверхрешетках. Устройства на основе сверхрешеток.

7. Одноэлектронные приборы. Металлический одноэлектронный транзистор.

8. Спиновый полевой транзистор.

9. Элементы памяти на магнитных моментах ядер.

10. Устройства молекулярной электроники: макромолекулярная электроника.

11.Устройства молекулярной электроники: молекулярная электроника (молетроника).

12.Устройства молекулярной электроники: молекулы-проводники и молекулы-изоляторы.

13. Устройства молекулярной электроники: молекулы-диоды.

14. Устройства молекулярной электроники: молекулы-транзисторы.

15. Устройства молекулярной электроники: молекулярные элементы памяти.

16. Устройства молекулярной электроники: молекулярные интегральные микросхемы.

17. Молекулярно-лучевая эпитаксия.

18. Оптическая литография (фотолитография).

19. Электронно-лучевая литография.

20.Рентгенолитография.

21. Ионолитография.

22. Импринт-литография.

23. Сканирующий туннельный микроскоп.

24. Сканирующий атомно-силовой микроскоп.

25. Нанолитография на основе АСМ.

26. Углеродные нанотрубки: форма и структура нанотрубок, методы получения нанотрубок, свойства нанотрубок, неуглеродные нанотрубки, перспективы применения нанотрубок в электронике.

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

8.1. Основная литература

Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применение. М.: Бином, 2006. 293 с.
Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2005. 144 с.
Нанотехнологии в электронике / Под ред. Ю. А. Чаплыгина. М.: Техносфера, 2005. 448 с.
Щука А.А. Наноэлектроника. – М.: Физматлит, 2007. – 464 с.
Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники: Учеб. пособие. 2-е изд., испр. И доп. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 496 с.
Абрамов И.И., Новик Е.Г. Численное моделирование металлических одноэлектронных транзисторов. – Мн.: Бестпринт, 2000. – 164 с.
Российский электронный наножурнал https://nanojournal.ru/
Ежемесячный журнал «Российские нанотехнологии» https://www.nanorf.ru/

8.2. Дополнительная литература

Драгунов В. П., Неизвестный И. Г., Гридчин В. П. Основы электроники. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 496 с.
Мартинес-Дуарт Д. М. Нанотехнология для микро- и оптоэлектроники. М.: Техносфера, 2007. 368 с.
Нанотехнологии в полупроводниковой электронике / Под ред. А. А. Асеева. Новосибирск: Изд-во Сибирск. отд. РАН, 2004. 367 с.
Неволин В. К. Зондовые нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера, 2005. 152 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 отечественныеи зарубежные библиотеки

Российская государственная библиотека https://www.rsl.ru
Российская национальная библиотека https://www.nlr.ru
Всероссийская государственная библиотека иностранной литературы им. М.И.Рудоминоhttps://www.libfl.ru
Библиотека Академии Наук https://www.rasl.ru
Библиотека РАН по естественным наукам https://www.benran.ru
Государственная публичная научно-техническая библиотека https://www.gpntb.ru
Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского отделения РАН https://www.spsl.nsc.ru/
Центральная научная библиотека Дальневосточного отделения РАН https://lib.febras.ru
Центральная научная библиотека Уральского отделения РАН https://www.uran.ru
Библиотека Конгресса https://www.loc.gov/index.html
Британская национальная библиотека https://www.bl.uk
Французская национальная библиотека https://www.bnf.fr
Немецкая национальная библиотека https://www.ddb.de
Библиотечная сеть учреждений науки и образования RUSLANethttps://www.ruslan.ru:8001/rus/rcls/resources
Центральная городская универсальная библиотека им. В.Маяковскогоhttps://www.pl.spb.ru
Научная библиотека им. М.Горького Санкт-Петербургского Государственного университета (СПбГУ) https://www.lib.pu.ru

Фундаментальная библиотека Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета (СПбГПУ) https://www.unilib.neva.ru/rus/lib/
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины:

Класс с медиапроектором для проведения лекционных занятий и презентаций.
Компьютерный класс для проведения практических занятий.
Программное обеспечение для проведения практических.
Сканирующий туннельный микроскоп.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки бакалавра 210100 «Электроника и наноэлектроника».
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 сдачи контрольных работ, выполнения практических занятий и проведения тестирования.

Дисциплина «Наноэлектроника», 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 И.И. Растворова