Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Przyrządy i układy półprzewodnikowe
Tok studiów:
2018/2019
Kod:
JFM-1-504-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Fizyka Medyczna
Semestr:
5
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Osoba odpowiedzialna:
prof. dr hab. inż. Dąbrowski Władysław (w.dabrowski@ftj.agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
prof. dr hab. inż. Dąbrowski Władysław (w.dabrowski@ftj.agh.edu.pl)
dr inż. Wiącek Piotr (wiacek@agh.edu.pl)
dr inż. Fiutowski Tomasz (tomasz.fiutowski@agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Celem modułu jest zapoznanie studenta z zasadą działania podstawowych przyrządów półprzewodnikowych i ich wykorzystaniem do budowy podstawowych układów elektronicznych, analogowych i cyfrowych.

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W004 Student posiada wiedzę na temat struktury pasmowej i mechanizmów transportu nośników w półprzewodnikach. Student zna budowę i zasadę działania diod i tranzystorów półprzewodnikowych. Student posiada wiedzę na temat charakterystyk prądowo-napięciowych tranzystorów. Student zna koncepcję małosygnałowego schematu zastępczego. FM1A_W03, FM1A_W07 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Kolokwium
M_W005 Student posiada wiedzę na temat jednostopniowych wzmacniaczy tranzystorowych. Student posiada wiedzę na temat struktury i parametrów wzmacniaczy różnicowych zbudowanych na tranzystorach bipolarnych i tranzystorach MOSFET. FM1A_W03, FM1A_W07 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Kolokwium
M_W006 Student posiada wiedzę na temat struktury układów scalonych CMOS i zna zasady skalowania w technologii CMOS. FM1A_W03, FM1A_W07 Aktywność na zajęciach,
Egzamin
Umiejętności
M_U004 Student potrafi przeprowadzić analizę stałoprądową i małosygnałową prostych stopni wzmacniających zbudowanych na tranzystorach bipolarnych i MOSFET. FM1A_U07 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Kolokwium
M_U005 Student potrafi posługiwać się elektronicznymi przyrządami pomiarowymi i zestawić proste stanowisko pomiarowe. Student potrafi zmierzyć i opracować charakterystyki prostych analogowych obwodów elektronicznych. FM1A_U08, FM1A_U09, FM1A_U07 Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U006 Student potrafi zaprojektować proste kombinacyjne i sekwencyjne obwody logiczne. Student potrafi zweryfikować poprawność działania prostych obwodów logicznych. FM1A_U08, FM1A_U09, FM1A_U07 Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi pracować w zespole. FM1A_K02 Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
M_W004 Student posiada wiedzę na temat struktury pasmowej i mechanizmów transportu nośników w półprzewodnikach. Student zna budowę i zasadę działania diod i tranzystorów półprzewodnikowych. Student posiada wiedzę na temat charakterystyk prądowo-napięciowych tranzystorów. Student zna koncepcję małosygnałowego schematu zastępczego. + + - - - - - - - - -
M_W005 Student posiada wiedzę na temat jednostopniowych wzmacniaczy tranzystorowych. Student posiada wiedzę na temat struktury i parametrów wzmacniaczy różnicowych zbudowanych na tranzystorach bipolarnych i tranzystorach MOSFET. + + + - - - - - - - -
M_W006 Student posiada wiedzę na temat struktury układów scalonych CMOS i zna zasady skalowania w technologii CMOS. + - - - - - - - - - -
Umiejętności
M_U004 Student potrafi przeprowadzić analizę stałoprądową i małosygnałową prostych stopni wzmacniających zbudowanych na tranzystorach bipolarnych i MOSFET. - + + - - - - - - - -
M_U005 Student potrafi posługiwać się elektronicznymi przyrządami pomiarowymi i zestawić proste stanowisko pomiarowe. Student potrafi zmierzyć i opracować charakterystyki prostych analogowych obwodów elektronicznych. - - + - - - - - - - -
M_U006 Student potrafi zaprojektować proste kombinacyjne i sekwencyjne obwody logiczne. Student potrafi zweryfikować poprawność działania prostych obwodów logicznych. - - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi pracować w zespole. - - + - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:

1. Podstawy fizyki półprzewodników
Półprzewodniki samoistne, półprzewodniki domieszkowane, równowagowe koncentracje nośników.

2. Transport nośników w półprzewodnikach
Dryf i dyfuzja nośników ładunku, procesy generacyjno-rekombinacyjne w półprzewodnikach, czas życia nośników mniejszościowych.

3. Złącze półprzewodnikowe p-n
Polaryzacja diody w kierunku przewodzenia i zaporowym, charakterystyka prądowo-napięciowa diody, pojemność złączowa.

4. Elektryczny schemat zastępczy diody
Wielkosygnałowy i małosygnałowy elektryczny schemat zastępczy diody. Zastosowanie diod w prostownikach napięcia.

5. Przyrządy optoelektroniczne oparte na złączu półprzewodnikowym
Fotodioda, fotodioda lawinowa. dioda elektroluminescencyjna. laser półprzewodnikowy.

6. Tranzystor bipolarny
Budowa i zasada działania tranzystora, charakterystyki stałoprądowe, małosygnałowy schemat zastępczy. współczynniki wzmocnienia prądowego  i 

7. Tranzystor bipolarny jako wzmacniacz
Podstawowe konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego: wspólny emiter, wspólna baza, wspólny kolektor, polaryzacja stałoprądowa, małosygnałowe schematy zastępcze i parametry małosygnałowe.

8. Tranzystor polowy MOSFET
Budowa i zasada działania tranzystora polowego, charakterystyki stałoprądowe, skalowanie charakterystyk stałoprądowych, obszary pracy tranzystora polowego MOS: podprogowy, słabej inwersji, silnej inwersji.

9. Tranzystor polowy MOSFET jako wzmacniacz
Podstawowe konfiguracje pracy tranzystora polowego MOS: wspólne źródło, wspólna bramka, wspólny dren, polaryzacja stałoprądowa, małosygnałowe schematy zastępcze i parametry małosygnałowe.

10. Lustro prądowe
Zasada działania i właściwości lustra prądowego zbudowanego na tranzystorach bipolarnych, zasada działania i właściwości lustra prądowego zbudowanego na tranzystorach MOSFET, zastosowanie luster prądowych w obwodach elektronicznych: wzmacniacz prądowy, obciążenie aktywne.

11. Parametry i charakterystyki tranzystorów w zakresie wysokich częstotliwości
Wysokoczęstotliwościowy schemat zastępczy tranzystora bipolarnego, wysokoczęstotliwościowy schemat zastępczy tranzystora polowego MOSFET, wzmacniacz kaskodowy.

12. Wzmacniacz różnicowy na tranzystorach bipolarnych
Budowa, charakterystyki wielkosygnałowe, małosygnałowy schemat zastępczy, wzmocnienie różnicowe, wzmocnienie wspólne, współczynnik tłumienia sygnału wspólnego

13. Wzmacniacz różnicowy na tranzystorach polowych MOSFET
Budowa, zasada działania, charakterystyki wielkosygnałowe, małosygnałowy schemat zastępczy, wzmocnienie różnicowe, wzmocnienie wspólne, współczynnik tłumienia sygnału wspólnego

14. Podstawy technologii CMOS
Struktura fizyczna układów scalonych CMOS i podstawowe etapy procesu technologicznego, zasady skalowania w technologiach CMOS

15. Budowa i właściwości podstawowych bramek logicznych w technologii CMOS
Charakterystyki stałoprądowe i dynamiczne inwertera, budowa i charakterystyki bramek NAND i NOR w technologii CMOS

Ćwiczenia audytoryjne:

1. Transport nośników w półprzewodnikach i złącze p-n
Efekty kształcenia:
• Student potrafi oszacować przewodnictwo elektryczne półprzewodnika na podstawie danych o domieszkowaniu, temperaturze i ruchliwości nośników.
• Student potrafi wyliczyć rozkład pola elektrycznego w złączu.
• Student potrafi wyliczyć grubość i pojemność warstwy złączowej na podstawie danych o domieszkowaniu i napięciu polaryzacji.
• Student potrafi oszacować pasmo przenoszenia wzmacniacza jednostopniowego.

2. Tranzystor bipolarny
Efekty kształcenia:
• Student potrafi wyliczyć punkt pracy tranzystora bipolarnego dla zadanego schematu polaryzacji
• Student potrafi narysować małosygnałowy schemat zastępczy wzmacniacza jednostopniowego i wyznaczyć jego parametry: wzmocnienie, rezystancje wejściową i rezystancje wyjściową.
• Student potrafi oszacować pasmo przenoszenia wzmacniacza jednostopniowego zbudowanego na tranzystorze bipolarnym.

3. Tranzystor MOSFET
Efekty kształcenia:
• Student potrafi wyliczyć punkt pracy tranzystora MOSFET dla zadanego schematu polaryzacji
• Student potrafi narysować małosygnałowy schemat zastępczy wzmacniacza jednostopniowego i wyznaczyć jego parametry: wzmocnienie, rezystancje wejściową i rezystancje wyjściową.
• Student potrafi oszacować pasmo przenoszenia wzmacniacza jednostopniowego zbudowanego na tranzystorze MOSFET.

4. Wzmacniacze różnicowe
Efekty kształcenia:
• Student potrafi wyliczyć wzmocnienie dla podstawowych konfiguracji wzmacniaczy różnicowych.
• Student potrafi oszacować współczynnik tłumienia sygnału wspólnego dla podstawowych konfiguracji wzmacniaczy różnicowych.

Ćwiczenia laboratoryjne:

1. Linia transmisyjna
Efekty kształcenia:
• Student potrafi wyznaczyć współczynniki odbicia linii w zależności od obciążenia.
• Student potrafi określić warunki dopasowania wejścia i wyjścia linii na podstawie zaobserwowanego przebiegu.
• Student potrafi podać warunki wystąpienia efektu pojemnościowego linii długiej.
• Student potrafi wyznaczyć współczynnik tłumienia linii długiej.

2. Filtry
Efekty kształcenia:
• Student potrafi zbudować proste filtry bierne górno-, dolno- i pasmowo-przepustowe.
• Student potrafi zmierzyć charakterystykę amplitudowo-częstoliwościową układu.
• Student potrafi wyznaczyć częstotliwość graniczną badanego filtru.
• Student potrafi zbudować filtry aktywne: o tłumieniu krytycznym, Butterwortha, Chebyszewa, Bessela.

3. Wzmacniacz operacyjny w układach liniowych
Efekty kształcenia:
• Student potrafi zbudować wtórnik napięcia.
• Student potrafi wyznaczyć szybkość narastania sygnału na wyjściu układu.
• Student potrafi zbudować wzmacniacz odwracający i nieodwracający o zadanym wzmocnieniu.
• Student potrafi określić zależność pomiędzy wzmocnieniem a pasmem przenoszenia wzmacniacza.

4. Charakterystyki tranzystorów bipolarnych i FET
Efekty kształcenia:
• Student potrafi zbudować układ pomiarowy zapewniający jednoczesny pomiar napięcia i natężenia prądu.
• Student potrafi poprawnie spolaryzować tranzystor bipolarny i FET.
• Student potrafi wyznaczyć charakterystyki przejściowe i wyjściowe tranzystorów.
• Student potrafi określić obszar pracy aktywnej normalnej tranzystora.

5. Kombinacyjne układy logiczne
Efekty kształcenia:
• Student potrafi w postaci sumy iloczynów zrealizować podstawowe funkcje logiczne: NOT, AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR.
• Student potrafi zaprojektować prosty multiplekser 2 do 1 i uogólnić projekt dla większej liczby wejść.
• Student potrafi zbudować dekoder kodu 1 z 8 na kod wyświetlacza 7-mio segmentowego.
• Student potrafi zbudować dekoder kodu binarnego na kod wyświetlacza 7-mio segmentowego.

6. Sekwencyjne układy logiczne
Efekty kształcenia:
• Student potrafi zbudować licznik o zadanej pojemności liczący w kodzie binarnym w przód, w tył i rewersyjny.
• Student potrafi zbudować licznik liczący w kodzie Gray’a.
• Student potrafi zbudować konwerter z kodu Gray’a na kod BCD.

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 238 godz
Punkty ECTS za moduł 9 ECTS
Udział w wykładach 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 61 godz
Udział w ćwiczeniach audytoryjnych 45 godz
Przygotowanie do zajęć 28 godz
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 30 godz
Przygotowanie sprawozdania, pracy pisemnej, prezentacji, itp. 44 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

Uzyskanie pozytywnej oceny końcowej wymaga uzyskania pozytywnych ocen z ćwiczeń audytoryjnych i ćwiczeń laboratoryjnych. Ocena końcowa (OK) obliczana jest jako średnia arytmetyczna ocen z ćwiczeń audytoryjnych © i ćwiczeń laboratoryjnych (L): OK = (C+L)/2

Wymagania wstępne i dodatkowe:

• Znajomość podstaw teorii obwodów i podstaw elektronik na poziomie kursu Podstawy elektroniki.
• Znajomość fizyki ciała stałego na poziomie podstawowego kursu fizyki.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

M. Nadachowski, Z. Kulka, Analogowe układy scalone. Warszawa, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1985.
Elementy i układy elektroniczne. Cz. 1 i Cz. 2. pod red. Stanisława Kuty. Kraków, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, 2000.
P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki Cz. 1 i Cz. i, Warszawa, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 2003.
U.Tietze, Ch.Schenk. Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1998.
J. Kalisz, Podstawy elektroniki cyfrowej, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2002.
J. D. Irvine, R.M. Nelms, Basic Engineering Crcuit Analysis, International Student Version, Ninth Edition, John Willey & Sons Inc. 2008.
B. Razavi, Fundamentals of Microelectronics, John Willey & Sons Inc. 2008.

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

Nie podano dodatkowych publikacji

Informacje dodatkowe:

1. Zaliczenie ćwiczeń audytoryjnych student uzyskuje na podstawie ocen cząstkowych ze sprawdzianów pisemnych przeprowadzanych regularnie w czasie trwania semestru. Student, który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż 2 ćwiczenia audytoryjne w danym semestrze, nie uzyskuje zaliczenia i zostaje pozbawiony możliwości poprawkowego zaliczania zajęć.

2. W razie nieobecności na ćwiczeniach audytoryjnych student jest zobowiązany do samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału. W przypadkach nieobecności na sprawdzianie studentowi przysługuje możliwość napisania opuszczonego sprawdzianu w wyznaczonym przez prowadzącego terminie, lecz nie później niż w ciągu dwóch tygodni od daty nieobecności.

3. Podstawowym terminem uzyskania zaliczenia ćwiczeń audytoryjnych jest koniec zajęć w danym semestrze. Student może dwukrotnie przystąpić do poprawkowego zaliczania ćwiczeń audytoryjnych w terminach ustalonych przez prowadzącego zajęcia.

4. Warunkiem zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych jest uzyskanie pozytywnych ocen cząstkowych ze wszystkich ćwiczeń przewidzianych w programie. W razie nieobecności na ćwiczeniach laboratoryjnych studentowi przysługuje możliwość wykonania tych ćwiczeń w wyznaczonym przez prowadzącego terminie.

5. Student, który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż 2 ćwiczenia laboratoryjne w danym semestrze, zostaje pozbawiony możliwości wykonania tych ćwiczeń w dodatkowym terminie i nie uzyskuje zaliczenia.