Kursplan för Mikroelektronik

Kursplan fastställd 2022-02-02 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnMicroelectronics
  • KurskodMCC087
  • 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 50145
  • Max antal deltagare80
  • Sökbar för utbytesstudenterNej
  • Endast studenter med kurstillfället i programplan.

Poängfördelning

0122 Tentamen 4,5 hp
Betygsskala: TH		4,5 hp
  • 27 Okt 2022 em J
  • 04 Jan 2023 em J
  • 25 Aug 2023 fm J
0222 Projekt 3 hp
Betygsskala: UG		3 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) eller Fysik 1 (TIF380), Fysik 2 (FFY143/FFY144), Kretsanalys (EMI083, EMI084), Elektronik (ETI146) eller Analog Elektronik (ETI147), Elektromagnetiska fält (EEM015) och Matematisk analys i en variabel (TMV136, TMV137)

Syfte

Kursen är en introduktion till fysikalisk förståelse av halvledarkomponenter. Huvudsyftet är tvådelat. I slutet av kursen, studenten ska: i) självständigt kunna använda grundläggande halvledarfysik för att framgångsrikt bearbeta tekniska problemställningar som involverar halvledarkomponenter, och ii) uppvisa förmåga att använda sina kunskaper inom fysik och kretsteori för att förklara de elektriska egenskaperna hos olika viktiga 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.
  • 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:
termistorer
dioder (pn-övergången diode, schottky diode, LEDs och solceller)
fälteffekttransistorer (MOSFET, HEMTs), 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),
    • ideala diodekvationen, idealitetsfaktorn.
  • 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.
  • photodiodes:
    • LEDs 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.
  • 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.
    • Subtröskelströmmar.
    • Kanallängdsmodulation, Earlyspänning.
    • Andra ordningens effekter (överkurs):
      • hastighetsmättnad,
      • mobility roll-off,
      • draininducerad barriärsänkning (DIBL).
      • substrateffekten,
  • High electon mobility transistors (HEMT):
    • Principiell funktion och uppbyggnad. Heterostruktur. Intrinsisk kanal
  • Bipolärtransistorn:
    • Principiell funktion och uppbyggnad.
    • Energibanddiagram.
    • Strömförstärkning.
    • Gränsfrekvens.
  • Plottning av diagram och kurvor i Matlab och/eller Excel.
  • Betoning av ingenjörsmässighet och dimensionsanalys vid beräkningar.
  • Emerging technology.
  • Tillverkningsteknik för integrerade CMOS-kretsar.

Organisation

Kursen bygger på föreläsningar, räkneövningstillfällen och ett större projekt. Projekten genomförs i tvåmannagrupper. Projektet består av en tidig skriftlig inlämningsuppgift följt av ett mätlabbstillfälle kopplad till två delprojekt, ett på dioder och ett på MOSFETar. De två diod- och MOSFET-projekten redovisas muntligt med skriftligt underlag för godkännande. I slutet finns en skriftlig tentamen.
De första två läsveckorna omfattar grundläggande halvledaregenskaper såsom ledningsförmåga och fermistatistik på ett traditionellt sätt. Mätningar på dioder och transistorer görs för att samla in data till projektarbetet. Läsvecka tre och fyra ägnas åt dioddelen av projektet och under läsvecka fem och sex ligger fokus på MOSFET-projektdelen. Läsvecka sju och åtta omfattar alternativa dioder och transistorstrukturer såsom Schottky-dioder, HEMTs och BJTs, och utrymme ges också för repetition.

Litteratur


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



Examination inklusive obligatoriska moment

Kursen består av två delar som examineras individuellt. Slutbetyget är betyget på tentamen. Möjlighet ges att erhålla bonuspoäng till tentamen genom att utföra några extra uppgifter i diod- och MOSFET-projekten och presentera dem muntligt i feedbacksessionen.
Projektmodulen bedöms som godkänd eller underkänd och examineras i tre delar. Alla tre delprojekt måste vara godkända för att bli godkänd på projektmodulen. Det första delprojektet, termistoruppgiften, examineras utifrån den skriftliga rapporten. Diod- och MOSFET-projekten kommer att betygsättas under den muntliga feedbacksessionen dagen efter inlämning av varje rapport.
Den skriftliga tentamen består av två delar. I den första delen är inga hjälpmedel tillåtna. Den består av fyra delar som representerar olika grundläggande delar av kursen. Dessa uppgifter måste besvaras på ett tillfredsställande sätt för godkänt betyg och för att resten av tentamen ska bedömas. Tentamens andra del består av tre problem. Kursboken är tillåten i andra delen.

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.