Кафедра електронної інженерії

МОДЕЛЮВАННЯ МІКРО- ТА НАНОЕЛЕКТРОННИХ

КОМПОНЕНТІВ

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освіти

Другий (освітньо-професійний) - магістр

Галузь знань

15 Автоматизація та приладобудування

Спеціальність

153 «Мікро- та наносистемна техніка»        

Освітня програма

Електронні мікро- і наносистеми та технології        

Статус дисципліни

Вибіркова

Форма навчання

очна(денна)

Рік підготовки, семестр

1 курс, весняний семестр

Обсяг дисципліни

3 кредити, лекції 36 год.,  лабораторні роботи 18 год,  самостійна  робота 96 год.

Семестровий контроль/ контрольні заходи

екзамен

Розклад занять

http://rozklad.kpi.ua

Мова викладання

Українська

Інформація про
керівника курсу / викладачів

Лектор: зав. каф. Електронної інженерії, д.т.н., проф. Тимофєєв Володимир Іванович v.timofeyev@kpi.ua   timof-ee@kpi.ua 

Практичні і лабораторні заняття:  зав. каф. Електронної інженерії, д.т.н., проф. Тимофєєв Володимир Іванович v.timofeyev@kpi.ua 

 timof-ee@kpi.ua 

Розміщення курсу

 Google classroom -  

Програма навчальної дисципліни

  1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Дисципліна займає належне місце у структурно-логічній схемі програми підготовки фахівця, та забезпечує підготовку студентів до застосування мікро- і наносистем та підходів щодо їх дослідження.

Міждисциплінарні зв’язки:

Програму навчальної дисципліни «Моделювання мікро- та наноелектронних компонентів» складено відповідно до стандарту вищої освіти підготовки магістрів з галузі знань 15  – «Автоматизація та приладобудування» за спеціальністю 153 «Мікро- та наносистемна техніка».

Навчальна дисципліна «Моделювання мікро- та наноелектронних компонентів» належить до циклу професійної та практичної підготовки магістрів за вибором студентів.

Предметом навчальної дисципліни є компоненти мікро- та наноелектронної техніки та методи їх моделювання. Передумовою його вивчення є освоєння дисциплін циклу підготовки бакалаврів за спеціальністю 153 «Мікро- та наносистемна техніка». Даною навчальною дисципліною забезпечуються наступні курси магістерської підготовки:  навчальна дисципліна з мікро- та наносистем та  навчальна дисципліна з засобів та систем телекомунікацій.

Мета та завдання навчальної дисципліни

        

Основна мета дисицпліни «Моделювання мікро- та наноелектронних компонентів»  – дати поглиблені знання в галузі активних електронних компонентів з орієнтацією на сучасні тенденції розвитку електронної техніки і мікро- та наноелектроніки. Сюди входить, по-перше, розгляд динаміки фізичних процесів, які мають місце в різноманітних електронних приладах, з акцентом на швидкодії процесів, а також аналіз напівпровідникових матеріалів з точки зору їх динамічних властивостей. По-друге, розгляд нових фізичних ефектів, які виявляються з розвитком нанотехнологій, для створення надшвидкодіючих приладів.

Метою навчальної дисципліни є забезпечення таких програмних результатів навчання

ПРН1

Формулювати і розв’язувати складні інженерні, виробничі та/або наукові задачі під час проектування, виготовлення і дослідження мікро- та наносистемної техніки різноманітного призначення та створення конкурентоспроможних розробок, втілення результатів у бізнеспроектах.

ПРН11

Досліджувати процеси у мікро- та наноелектронних системах, приладах й компонентах з використанням сучасних експериментальних методів та обладнання, здійснювати статистичну обробку та аналіз результатів експериментів.

ПРН17

Досліджувати нові та використовувати існуючи методи аналізу, синтезу і ідентифікації характеристик і параметрів засобів мікро- та наносистемної техніки, біомедичних електронних приладів і систем.

ПРН18

Досліджувати та проектувати прилади мікро- та наноелектроніки, моделювати процеси в мікроелектронних приладах та системах, аналізувати отриманні дані та на їх основі прогнозувати параметри новітніх приладів та систем мікро- та наносистемної техніки, електронних біомедичних систем.

  1. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Для засвоєння дисципліни щодо математичних моделей і методів моделювання фізичних процесів і властивостей, параметрів і характеристик  приладів мікро- і наноелектроніки необхідними є здатності застосування знань і практичних навичок з новітніх наноматеріалів і методів їх дослідження; фізичних процесів,  будови   і технологій виготовлення мікро- та нанокомпонентів і систем.

  1. Зміст навчальної дисципліни

Методи моделювання динамічних електронних процесів: кінетичне рівняння, релаксаційні рівняння балансу частинок, імпульсу, енергії, особливості  багатодолинних напівпровідників, метод Монте-Карло, рівняння неперервності, самоузгоджене моделювання. Квантово-механічні методи моделювання електронного транспорту.

        Електронні властивості напівпровідникових матеріалів та фізичні фактори, що їх визначають: моделювання релаксаційних параметрів, граничні частоти електронної провідності, активна та реактивна провідність, від’ємна динамічна провідність, імпульсні властивості матеріалів.

        Субмікронні напівпровідникові структури та прилади. Польовий транзистор з бар’єром Шоттки. Специфічні прояви електронного транспорту за субмікронних розмірів затвору ("сплеск" дрейфової швидкості, вплив підкладки, механізми управління струмом) та їх вплив на параметри транзистора. Гетероструктурні польові транзистори з високою рухливістю електронів, характерні параметри, методи зниження шуму та підвищення потужності. Гетеробіполярні транзистори, особливості використання. Транзистори на гарячих електронах.

        Нанометрові напівпровідникові прилади. Діодні структури, резонансно-тунельні діоди, надграткові структури, інтерференційні прилади. Транзисторні структури, транзистори на квантових точках та квантових нитках. Транзистори на вуглецевих трубках та графені. Спінтронні транзистори. Молекулярні транзисторні структури.

  1. Навчальні матеріали та ресурси

Базова література

  1. Москалюк В.О., Тимофєєв В.І., Федяй А.В. «Надшвидкодіючі прилади електроніки», навч. пос. з грифом МОНУ, вид. «Політехніка», Київ, 2014, С.528.
  2. Москалюк В.А., Тимофеев В.И., Федяй А.В. Сверхбыстродействующие приборы электроники, навчальний посібник з грифом НТУУ «КПІ», свідоцтво НМУ № Е11/12-234 К.: НТУУ "КПИ", 2012. Електронне видання, http://phbme.ntu-kpi.kiev.ua/~fedyay/1book.pdf
  3. Масол И.В. Информационные нанотехнологии / И.В. Масол, В.И. Осинский, О.Т. Сергеев. – К.: Макрос, 2011. – 560 с.
  4. Сайт http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond

Допоміжна література

  1. Азаренков Н.А., Веревкин А.А., Ковтун Г.П. Основы нанотехнологий и наноматериалов. Учебное пособие. Харьков, 2009. – 70 с.
  2. Погосов В.В., Корніч Г.В., Васютін Є.В., Пугіна К.В., Кіпріч В.І Основи нанофізики і нанотехнологій. Електронний посібник. Запоріжжя, 2008. – 630 с.

Навчальний контент

  1. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Лекційні заняття

№ з/п

Назва теми лекції та перелік основних питань
(перелік дидактичних засобів, посилання на літературу та завдання на СРС)

1

Тема ЗАСОБИ МОДЕЛЮВАННЯ ДИНАМІЧНИХ ЕЛЕКТРОННИХ ПРОЦЕСІВ

1. Метод кінетичного рівняння: кінетичне рівняння, його структура

2. Інтеграл зіткнень, принцип детальної рівноваги, наближення часу релаксації.

3. Метод Монте-Карло: одно- та багаточастинкова реалізації

4. Релаксаційні рівняння для концентрації, імпульсу, енергії

5. Квантові моделі переносу заряду, метод хвильових функцій

Дидактичні засоби: проектор, комп’ютер, екран.

Завдання на СРС: основні методи чисельного розв`язання  диференціальних рівнянь

2

Тема  ЕЛЕКТРОННІ ВЛАСТИВОСТІ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

6. Зонна структура напівпровідників АIIIВV, складні сполуки

7. Механізми та швидкості розсіювання, загальні закономірності. Особливості та моделі домішкового розсіювання. Фононне розсіювання, акустичне, оптичне, міждолинне.

8. Розігрівання електронного газу, двотемпературна модель. Насичення дрейфової швидкості. Динамічна провідність: диференціальна, високочастотна та імпульсна

Дидактичні засоби: проектор, комп’ютер, екран.

Завдання на СРС:  аналіз  фізико-хімічних особливостей напівпровідникових  матеріалів АIIIВV.

3

Тема  СУБМІКРОННІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ СТРУКТУРИ ТА ПРИЛАДИ

9. Загальні властивості субмікронних ПТШ, особливості ВАХ

10. Квазідвовимірна модель ПТШ.

11. Схемні моделі ПТШ: малосигнальна, шумова

12. Моделі ПТШ для режиму великого сигналу

13. Моделювання ефектів третього виміру

14. Загальні властивості ГCПТ, утворення провідного каналу. Кінетичне моделювання ГСПТ. Двовимірне моделювання. Гетеротранзистори з двома потенціальними ямами, з квантовими точками

15. Потужні субмікронні ПТШ, гетероструктурні польові транзистори. Гетеробіполярні транзистори. Потужні МОП-транзистори.

Дидактичні засоби: проектор, комп’ютер, екран.

Завдання на СРС:  Особливості характеристик субмікронних компонентів з вбудованими квантовими ямами і квантовими точками.

4

Тема: НАНОМЕТРОВІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ

16. Структурні складові та принцип роботи РТД. Умовно-аналітичні моделі, чисельні моделі, експериментальна верифікація моделей.

17. Порівняльні характеристики наночастинок. Нанокомпоненти з використанням тунельного ефекту.

18. Низькорозмірні структури з використанням графена, нанотрубок і нанопровідників.

Дидактичні засоби: проектор, комп’ютер, екран.

Завдання на СРС: Особливості характеристики і технологій виготовлення структур з низько-розмірними системами.    

Практичні  заняття

Основними цілями практичних  занять є закріплення знань, отриманих на лекціях та самостійно, детальний розгляд та аналіз характеристик конкретних субміронних і нанокомпонентів та методів їх комп’ютерного моделювання.

Для ознайомлення з методами та засобами моделювання вибрані характерні низькорозмірні системи щодо математичних моделей і фізичних характеристик.

        № з/п

Тематика практичних (семінарських занять)

Кількість ауд. годин

1

Приклади розв’язку кінетичного рівняння: статична провідність

2

2

Приклади розв’язку кінетичного рівняння: високочастотна провідність

2

3

Динаміка швидкості й енергії в імпульсному електричному полі

2

4

Система моделювання субмікронних структур: аналіз моделей

4

5

Статичні характеристики напівпровідників у сильному електричному полі.

2

6

Перехідні та імпульсні характеристики напівпровідників у сильному полі.

2

7

Частотні характеристики напівпровідників у сильному полі.

2

8

Частотні і шумові характеристики субмікронних гетероструктурних транзисторів

2

18

Лабораторні роботи

№ з/п

Назва лабораторної роботи

Кількість ауд. годин

1

Лабораторна робота №1 2.        Розрахунок рухливості електронів у слабому полі, температурна залежність.

3

2

Лабораторна робота № 2 Розрахунок поле-швидкісних характеристик напівпровідників АIIIВV

3

3

Лабораторна робота № 3 Моделювання субміронного транзистора з бар’єром Шоттки

4

4

Лабораторна робота №4 Моделювання субміронного гетеротранзистора

4

5

Лабораторна робота №5 Моделювання субміронного гетеротранзистора з системою квантових ям

4

Методичні рекомендації

Дисципліна вивчається за активним методом, викладач і студенти взаємодіють один з одним в ході аудиторних навчальних занять та консультацій. Можуть застосуватись  дистанційні методи навчання, включаючи on-line технології. Для забезпечення наочності навчальних занять рекомендовано використовувати презентаційні матеріали за допомогою комп’ютера, мультимедійного проектору і екрану. Для ілюстрації окремих найбільш вагомих теоретичних і експериментальних нових наукових результатів у відповідних темах використовуються наукові презентації із застосуванням широкого спектру багатовимірних графічних і мультимедійних засобів.

При проведенні занять по дисципліні варто зосередитися на необхідності гармонійного поєднання теоретичних аспектів дисципліни і наявних експериментальних даних.

Методика вивчення дисципліни повинна бути спрямована на досягнення формування системних знань про взаємозв’язок фізичних, технологічних і практичних аспектів моделювання і проектування, створення і функціонування  мікро- і наноприладів.

Політика та контроль

  1. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Система вимог, які ставляться перед студентом:

  1. Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Рейтингова система оцінювання результатів навчання з кредитного модуля «Моделювання мікро- та наноелектронних компонентів»  спеціальності 153 «Мікро- та наносистемна техніка».

Розподіл навчального часу за видами занять і завдань з дисципліни згідно з робочим навчальним планом.

Семестр

Навчальний час

Розподіл навчальних годин

Контрольні заходи

кредити

акад. год.

Лекц.

Практич.

Лаб. роб.

СРС

МКР

Семестрова атестація

3

5

150

36

18

96

екзамен

Система рейтингових балів та критерії оцінювання

1.  Лабораторні роботи

Ваговий бал – 5. Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи дорівнює 4 балів × 5 = 20 балів.

виконання лабораторної роботи: 2 бали:

2 – правильне виконання;

1 – повне виконання з несуттєвими недоліками;

0 – невиконання або неправильне виконання роботи.

співбесіда по результатах виконання роботи: 3 бали:

3 – повна правильна відповідь;

2 – правильна відповідь з неточностями;

1 – неправильна відповідь, яка самостійно виправлена;

0 – неправильна відповідь або відсутність відповіді.

При невчасному захисті лабораторної роботи максимальна кількість балів за кожну роботу дорівнює 3.

2. Модульний контроль

Ваговий бал за кожне завдання – 10. Максимальна кількість балів за всі завдання контрольної роботи дорівнює 10 балів 4 = 40 балів.

10- правильна відповідь;

8- правильна відповідь з незначними неточностями;

6- правильна відповідь з значними неточностями;

4- неправильна відповідь з елементами правильної;

2- наявність спроб надати правильну відповідь;

0-        неправильна відповідь або відсутність відповіді.

3.        РГР – 10 балів  

4.        Екзамен

Умовою допуску до екзамену  є виконання та захист всіх лабораторних робіт, РГР  та сума балів лабораторних робіт+МКР+РГР не менше 60.

Максимальна кількість балів за всі завдання дорівнює 10 балів  4 = 40 балів. Критерії оціювання кожного завдання:

10 - правильна відповідь;

8 - правильна відповідь з незначними неточностями;

6 - правильна відповідь з значними неточностями;

4 - неправильна відповідь з елементами правильної;

2 - наявність спроб надати правильну відповідь;

0- неправильна відповідь або відсутність відповіді.

Ваговий бал за усі додаткові питання екзамену – 10.

Рейтинг студента з дисципліни складається з балів, що він отримує за активність  на аудиторних заняттях і виконання та захист рефератів. Поточний контроль полягає у експрес-опитуваннях, опитуваннях за темою заняття.

Система рейтингових балів та критерії оцінювання

Залік. Умовою допуску до екзамену є  виконання, захист лабораторних робіт і РГР.

 Переведення рейтингових оцінок у традиційні оцінки  

При визначенні підсумкового рейтингу поточний рейтинг нормується до шкали 0…100

Таблиця відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою:

Кількість балів

Оцінка

100-95

Відмінно

94-85

Дуже добре

84-75

Добре

74-65

Задовільно

64-60

Достатньо

Менше 60

Незадовільно

Не виконані умови допуску

Не допущено

  1. Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

 Можливі додаткові бали за наявності сертифікатів щодо платформи CADENCE,  про проходження дистанційних чи онлайн курсів.

Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):

Складено зав. кафедрою електронної інженерії,  д.т.н., проф. Тимофєєвим Володимиром  Івановичем

Ухвалено кафедрою електронної інженерії  (протокол № 42  від  23 червня 2021р.)

Погоджено  Методичною комісією факультету електроніки  (протокол № 06/2021  від  30.06.2021р.)