Fizyka półprzewodników w elektronice i fotonice

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

FPEF

1

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zjawiskami fizycznymi występującymi w ciałach stałych (ze szczególnym uwzględnieniem półprzewodników), z własnościami elektrycznymi i optycznymi tych materiałów oraz z podstawami działania przyrządów półprzewodnikowych w systemach mikro- i nanoelektroniki.

Treść wykładu

1. Wprowadzenie do elektroniki ciała stałego. Wymagania stawiane współczesnym materiałom i przyrządom mikroelektronicznym i optoelektronicznym (rozmiary, napięcie zasilania, częstotliwość pracy, długość fali elektromagnetycznej). Ograniczenia fizyczne i techniczne. Nanoelektronika i fotonika jako dziedziny elektroniki najbliższej przyszłości. (2 godz.)
2. Postulaty mechaniki kwantowej. Dualizm falowo-korpuskularny, fale de Broglie'a, funkcja falowa. Zasada nieoznaczoności Heisenberga. Przykłady rozwiązań równania Schrödingera. Model atomu w ujęciu półklasycznym i mechaniczno-kwantowym. Liczby kwantowe i ich interpretacja. Zakaz Pauliego. Atom wodoropodobny. (4 godz.)
3. Atomy wieloelektronowe (przykłady konfiguracji elektronowych). Wiązania, kryształy, defekty. Rozczepienie poziomów energetycznych na przykładzie atomów sodu (Na) i krzemu (Si). Tworzenie się pasm energetycznych. Zależność E = f(k) dla półprzewodników. Pasmo energii zabronionych. Metale, półprzewodniki, dielektryki – właściwości elektrofizyczne i pasmowe modele energetyczne (przykładowe wartości EG w T=300K). (4 godz.)
4. Przyrządy z efektami kwantowymi: nanorurki, kropki kwantowe, bramki kwantowe, struktury z grafenem, idea komputera kwantowego. (1 godz.)
5. Pasmowy model energetyczny jako narzędzie charakteryzacji ciała stałego. Pojęcie i właściwości dziury. Statystyka nośników ładunku elektrycznego w stanie równowagi termodynamicznej. Półprzewodniki domieszkowane. Wpływ temperatury na koncentracje nośników. (2 godz.)
6. Koncentracje nierównowagowe w półprzewodniku. Rodzaje i mechanizmy generacji i rekombinacji nośników ładunku. Transport nośników w ciele stałym: prąd unoszenia, prąd dyfuzyjny. Równania transportu: prądu, Poissona, ciągłości. Czas życia nośników nadmiarowych, średnia droga dyfuzji, czas relaksacji dielektrycznej. (3 godz.)
7. Złącze p-n. Wstrzykiwanie i ekskluzja nośników, mechanizmy przepływu nośników. Rozkłady ładunku, natężenia pola i potencjału, model pasmowy. Warstwa zaporowa i jej pojemność. Charakterystyka prądowo-napięciowa i wpływ temperatury na nią. Mechanizmy przebicia. Styk metal-półprzewodnik (kontakt omowy, dioda Schottky'ego). Przykładowe zastosowania: diody prostownicze, stabilizacyjne, impulsowe. Zjawiska fotoelektryczne w półprzewodnikach i ich wykorzystanie (fotorezystor, fotodioda, LED). (8 godz.)
8. Kondensator MOS. Struktura idealna, zmiana stanu przypowierzchniowego obszaru półprzewodnika, modele pasmowe. Charakterystyki pojemnościowo-napięciowe LF i HF, ekstrakcja parametrów struktury. Matryce CCD. (3 godz.)
9. Kolokwia. (3 godz.)

Przedmiot będzie częściowo prowadzony z wykorzystaniem innowacyjnych form kształcenia, w tym metodyki PBL (Project Based Learning).

1. R.P. Feynman, „Feynmana wykłady z fizyki Tom 3 Mechanika kwantowa”, PWN, Warszawa, 2019.
2. Ch. Kittel, „Wstęp do fizyki ciała stałego”, PWN, Warszawa, 2011.
3. S.M. Sze, K. Ng, “Physics of semiconductor devices”, John Wiley & Sons Inc. Hobo-ken, New Jersey, 2007.
4. Chenming Calvin Hu, “Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits”, 2010. (https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Book-Chapters-and-Lecture-Slides-download.html)
5. J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, WNT, Warszawa, 2003.

Sprawdzanie założonych efektów kształcenia realizowane jest przez:

• ocenę wiedzy i umiejętności w trakcie pisemnych kolokwiów wykładowych (pytania o charakterze teoretycznym i problemy rachunkowe, w niektórych przy-padkach student może korzystać z dozwolonych materiałów pomocniczych, np. kart wzorów);
• formatywną ocenę związaną z rozwiązaniem problemów podanych przez prowadzącego, a także z interaktywną formą prowadzenia wykładów;
• ocenę ewentualnego sprawdzianu ustnego w przypadku wątpliwości co do oceny.

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki