Kursplan för Mikroelektronik

Kursplanen innehåller ändringar
Se ändringar

Kursplan fastställd 2021-05-03 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnMicroelectronics
  • KurskodMCC086
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareTKELT
  • UtbildningsnivåGrundnivå
  • HuvudområdeElektroteknik
  • InstitutionMIKROTEKNOLOGI OCH NANOVETENSKAP
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Svenska
  • Anmälningskod 50124
  • Max antal deltagare80
  • Blockschema
  • Sökbar för utbytesstudenterNej
  • Endast studenter med kurstillfället i programplan.

Poängfördelning

0111 Tentamen 3 hp
Betygsskala: TH		3 hp0 hp0 hp0 hp0 hp0 hp
  • 30 Okt 2021 em J
  • 04 Jan 2022 em J
  • 15 Aug 2022 fm J
0211 Projekt 3 hp
Betygsskala: TH		3 hp0 hp0 hp0 hp0 hp0 hp
0311 Inlämningsuppgift 1,5 hp
Betygsskala: UG		1,5 hp0 hp0 hp0 hp0 hp0 hp

I program

Examinator

Gå till kurshemsidan (Öppnas i ny flik)

Behörighet

Grundläggande behörighet för grundnivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Särskild behörighet

Samma behörighet som det kursägande programmet.
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

Fysik (FFY401), Fysik 2 (FFY143), Kretsanalys (EMI083, EMI084), Elektronik (ETI146), Elektromagnetiska fält (EEM015) och Matematisk analys i en variabel (TMV136, TMV137)

Syfte

Kursen introducerar fysikalisk modellering av halvledarkomponenter. Huvudsyftet är dels att deltagarna ska utveckla och uppvisa förmåga att använda sina kunskaper i fysik och kretsteknik för att förklara de elektriska egenskaperna hos olika viktiga halvledarkomponenter, och dels att de efter kursen självständigt ska kunna använda grundläggande halvledarteknik för att konstruktivt bearbeta tekniska problemställningar som rör halvledarkomponenter.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

visa så god förtrogenhet med grundläggande halvledarbegrepps betydelse och inbördes samband att man kan identifiera dessas tillämplighet för att föra rimliga resonemang kring kortfattade, tidigare obekanta problemställningar

använda lämpliga argument för att motivera sitt val av design av en enklare halvledarkomponent med hänsyn taget till funktion, tillverkning och etiska överväganden kring dess tillämpning

utföra elektriska mätningar (under tidbegränsning i mätlab) på dioder och transistorer och använda erhållna data för extraktion av modellparametrar

muntligt redogöra för arbetsgången för att bestämma tillverkningsrelevanta parametrar i diod- och transistormodeller

illustrera överensstämmelse mellan modell och mätdata genom att plotta i Excel eller MATLAB

föra konstruktivt förenklade resonemang kring fundamentala beroenden för strömbegränsningen i en halvledarkomponent (t ex tillämpa 'räta linjens fysik'), där särskild vikt läggs vid modellering med avseende på tillverkningsrelaterade parametrar
Det är även möjligt att man kan:
redogöra för huvudstegen i tillverkningsprocessen för halvledarkomponenter och integrerade kretsar

göra rimliga antaganden och förenklingar i nya, realistiska problemställningar gällande halvledarkomponenter för att nå kvantitativt rimliga resultat med användande av referenslitteratur
Grundläggande begrepp och samband:

energibanddiagram, tillståndstätheter, fördelningsfunktioner, temperatur, rekombination, generation, dopning, massverkans lag, ledningsförmåga, rörlighet/mobilitet, drift, diffusion, Einsteins relation, hastighetsmättnad, spärrskiktsapproximationen, spärrskiktskapacitans, kontaktpotential, ideala diodekvationen, lavin- och zenergenombrott, tröskelspänning, mättnad, gradvisa kanalapproximationen, subtröskelström, kanallängds- och basviddsmodulation, gränsfrekvens

Halvledarkomponenter som ingår:
resistorer, termistorer
likriktardioder, varaktorer, solceller
fälteffekttransistorer (MOSFET), bipolärtransistorer

Innehåll

  • Grundläggande halvledaregenskaper (repetition av förväntade förkunskaper från fysikkurser):
    • Intrinsisk/extrinsisk halvledare, dopning, störämnen (donatorer/acceptorer); laddningsbärare: hål och elektroner, majoritets- och minoritetsbärare; rörlighet (mobilitet), ledningsförmåga.
    • Bandteori, Fermi-Diracs fördelningsfunktion och begreppet fermipotential.
    • Egentäthetens och rörlighetens temperaturberoende.
  • pn-övergången (repetition av förväntade förkunskaper från elektronikkurser):
    • ideal diod, styckevis linjär diodmodell (kontaktpotential och serieresistans),
    • enkla diodkretsar med dioden som likriktare,
    • ideala diodekvationen, idealitetsfaktorn, småsignalmodell, dynamisk resistans.
  • pn-övergången (nytt material):
    • metoder för extraktion av modellparametrar från mätningar på dioder,
    • kontaktpotentialen, balans mellan diffusions- och driftströmmar,
    • banddiagram, the law of the junction, lågnivåinjektion av minoritetsbärare, diffusionslängd,
    • utarmningsområde (spärrskikt), genombrottsmekanismer,
    • dioden som icke-linjär kapacitans, Gauss lag, plattkondensatorn,
    • minoritetsbärarupplagring och diodens transientegenskaper.
  • pn-övergången i tillämpningar:
    • varaktorer och solceller
  • MOS-transistorn (repetition av förväntade förkunskaper från elektronikkurser):
    • MOS-transistorn som spänningsstyrd resistans och strömkälla.
    • Styckevis linjär modell och Shockleys kvadratiska strömmodell.
    • Utgångs- och överföringskarakteristik.
    • Skillnaden mellan stor- och småsignalmodeller.
  • MOS-transistorn (nytt material):
    • Metoder för extraktion av modellparametrar från mätdata, "räta linjens fysik", minsta kvadratanpassning.
    • MOS-kapacitansen, ackumulation, utarmning, och inversion. Gauss lag. Seriekopppling av kondensatorer.
    • MOS-transistorns banddiagram.
    • Teorin bakom strömmodellen i stark inversion. Gradvisa kanalapproximationen.
    • Strömmodell i svag inversion. Subtröskelströmmar.
    • Kanallängdsmodulation, Earlyspänning.
    • Andra ordningens effekter (överkurs):
      • hastighetsmättnad,
      • mobility roll-off,
      • draininducerad barriärsänkning (DIBL).
      • substrateffekten,
  • Plottning av diagram och kurvor i Matlab och/eller Excel.
  • Bipolärtransistorn:
    • Principiell funktion och uppbyggnad.
    • Energibanddiagram.
    • Strömförstärkning.
    • Gränsfrekvens.
  • Betoning av ingenjörsmässighet och dimensionsanalys vid beräkningar.
  • Emerging technology. Nanoelektronik.
  • Tillverkningsteknik för integrerade CMOS-kretsar

Organisation

Kursen är organiserad med ett större projekt kopplat till en tidig skriftlig inlämningsuppgift och en mätlaboration. Projektarbetet genomförs i tvåmannagrupper. De två delarna i själva projektet (diod respektive MOSFET) redovisas muntligt med skriftligt underlag och betygssätts. I slutet finns en skriftlig tentamen. Under kursens gång ges stöd i form av schemalagda handledningstillfällen, räkneövningar och föreläsningar.
De första två veckorna behandlar grundläggande halvledaregenskaper som ledningsförmåga och fermistatistik på ett traditionellt sätt. Mätningar på dioder och transistorer ska göras för att samla in data till projektarbetet.
Läsvecka tre och fyra ägnas åt dioddelen av projektet, och under läsvecka fem och sex är fokus på MOSFET-projektdelen.
Läsvecka sju och åtta behandlar alternativa transistorstrukturer, såsom bipolärtransistorer och aktuella material från forskningsfronten och ger utrymme för repetition.

Litteratur

Kjell Jeppson: Kurshäfte i Mikroelektronik, 2012

Donald A. Neamen: Semiconductor Physics and Devices , McGraw-Hill (2012)



Alternativt kan man även använda t ex:

Robert F. Pierret: Semiconductor Device Fundamentals, Prentice Hall (1996)

book cover

Ben G. Streetman, Solid State Electronic Devices, Pearson (2010)


Examination inklusive obligatoriska moment

Kursen består av tre delmoment som examineras var för sig. Slutbetyget sätts genom en sammanvägning av betyget på projektet och betyget på tentamen.
Den skriftliga tentamen består av två delar. På första delen är inga hjälpmedel tillåtna. Den består av två uppgifter. Uppgift ett omfattar fyra delproblem som representerar olika fundamentala delar av kursen. Dessa delproblem måste vara tillfredsställande behandlade för godkänt betyg och för att resten av tentamen ska bedömas. Uppgift två behandlar tillverkningsteknik.
Den andra delen innehåller tre problem som kan lösas med kurshäfte/kursbok, formelsamling och ett blad egna anteckningar som tillåtna hjälpmedel.

Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.

Kursplanen innehåller ändringar

  • Ändring gjord på kurs:
    • 2021-04-30: Examination Examination ändrat av PA
      Uppdaterat text om examination
    • 2021-04-30: Organisation Organisation ändrat av PA
      Uppdaterat text om organisation