Kursplan för Halvledarkomponenter för modern elektronik

Kursplanen innehåller ändringar
Se ändringar

Kursplan fastställd 2021-02-19 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnSemiconductor devices for modern electronics
  • KurskodMCC170
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareMPWPS
  • UtbildningsnivåAvancerad nivå
  • HuvudområdeElektroteknik, Teknisk fysik
  • InstitutionMIKROTEKNOLOGI OCH NANOVETENSKAP
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Engelska
  • Anmälningskod 29129
  • Max antal deltagare30
  • Min. antal deltagare5
  • Blockschema
  • Sökbar för utbytesstudenterJa

Poängfördelning

0121 Laboration 1,5 hp
Betygsskala: UG		1,5 hp
0221 Tentamen 6 hp
Betygsskala: TH		6 hp
  • 29 Okt 2021 em J
  • 05 Jan 2022 em J
  • 23 Aug 2022 em J

I program

Examinator

Gå till kurshemsidan (Öppnas i ny flik)

Behörighet

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

Särskild behörighet

Engelska 6
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

Grundkunskaper i elektromagnetisk fältteori, fasta tillståndets fysik, kretsteori och mikroelektronik. Exempel på kurser I Chalmers utbud som innehåller rekommenderade förkunskaper är Mikroelektronik (MCC086) och Fasta tillståndets fysik (FFY012).


Syfte

Efter kursen ska deltagarna förstå de fundamentala principer på vilken modern mikroelektronik bygger. Kursdeltagarna får lära sig analysera halvledarkomponenter, förklara fysikaliska fenomen, utvärdera komponentmodeller och konstruera dioder och transistorer utifrån kravprestanda. Vi kommer också diskutera teknologier som ligger i forskningens framkant och som kommer utgöra framtidens nanoelektronik. Syftet är också att få experimentell erfarenhet och förmåga att bedöma giltigheten av en modell.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

  • Analysera fysikaliska egenskaper hos halvledare (laddningstransport)
  • Analysera byggblock för halvledarkompoinenter (pn-övergång, metall-halvledare, metall-oxid-halvledare) 
  • Analysera och beskriva ström-spänning karakteristik hos transistorer och dioder (Schottky, HBT, MOSFET, HEMT och tunnnelkomponenter)
  • Analysera högfrekvensegenskaper och effektbegränsningar hos halvledarkomponenter
  • Förklara principen för speciella mikrovågskompoinenter (GUNN, IMPATT, RTDs)
  • Utvärdera och illustrera noggrannhet mellan komponentmodeller och mätningar
  • Förklara och kommunicera forskningsframkanten av dagens nanoelektronik och dess utmaningar
  • Planera och utföra grundläggande praktiska mätningar på moderna mikroelektronikkomponenter

Innehåll

A. Föreläsningar och övningar

Halvledarmaterial och deras egenskaper: bandgap, elektroner och hål, laddningstransport, ferminivåer, heterostrukturer, pn-övergångar, metal-halvledarövergångar, metall-isolator-halvledarövergång
Kunskap kring den grundläggande fysiken i kristallina halvledare, samspelet mellan t.ex bandgapet, temperaturen, laddningstätheten, ledningsförmågan, dopningen och mobiliteten. Dessutom kommer material som kisel (Si), galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (InP), gallium nitrid (GaN) etc och deras egenheter att studeras. Målet är att förstå laddningsbärares beteende vid de vanligaste gränssnitten i moderna halvledare, så att man t.ex kan svara på frågor som "varför är pn och metal-halvledarövergångar likriktande"

Halvledarkomponenter: diod, transistor, effektkomponeter (thyristor), metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), bipolar junction transistor (BJT), heterojunction bipolar transistor (HBT), high electron-mobility transistor (HEMT), mikrovåg- och millimetervågsförstärkare

Studenten lär sig förstå och använda sig av godhetstalen för de vanligaste halvledarkomponenterna. Detta gör det möjligt att jämföra olika typer av transistorer m.a.p till exempel prestanda, och uppskatta hur lämpliga de är för vissa tillämpningar. De två vanligaste transistortyperna är den bipolära BJT'n och MOSFET'en. Dessa två transistorer utnyttjar helt olika fysikaliska mekanismer för att uppnå förstärkning, vilket kommer att gås igenom under kursen. Dessutom kommer studenten bekanta sig med avancerad mätutrustning för karakterisering av halvledarkomponeter, både praktiskt genom laborationer samt teori. Den praktiska erfarenhet som uppnåtts under laborationen kommer att placeras i sitt sammanhang i kursens föreläsningar, vilket förväntas att fördjupa förståelsen.

Högfrekvenskomponenter: komponenter med negativ resistans, Gunndiod, tunneldiod, impact-ionization avalanche transit time (IMPATT) diod, mm-vågstransistorer

Utsikterna att nå ännu högre frekvenser ( ända upp till 1 THz ) kommer att diskuteras genom att analysera den senaste litteraturen om transistorbandbredd. Vid dessa extremt höga frekvenser fungerar endast en viss kategori av halvledarkomponenter. Detta inkluderar exotiska komponentslag såsom Gunndioden och IMPATT dioden. Vi kommer studera halvledarfysiken bakom dessa komponenter samt innebörden av begreppet "negativ resistans".

Tillverkning av mikroelektronikkomponenter: fotolitografi, e-stråle litografi, oxidering, etsning, tunnfilmsdeponering, jon-implantering

Kursen går igenom tillverkningstekniker som används av halvledarindustrin / inom forskningen. Främst handlar det om litografitekniker såsom fotolitografi och elektronstrålelitografi, men också deponeringstekniker, etsning, oxidation och växt av halvledarmaterial. Standardiserade processteg för att tillverka en modern Si MOSFET kommer att behandlas. Vi kommer att ta itu med svårigheterna inom modern storskalig integration av halvledarkomponenter. Hur många enheter är möjligt att integrera i en modern mikroprocessor? Vilka är de viktigaste funktionerna i CMOS -teknik? Vilka är utmaningarna i att förverkliga snabbare CPU, och större dataminnen? Vilka är de grundläggande begränsningarna?

B. Laboration

Kursens laboration består av att karakterisera två olika typer av n-kanals MOSFET's tillverkade i Silicon-on-insulator ( SOI ) CMOS-process. De två typerna av transistorer som finns tillgängliga är höghastighetstransistorer och transistorer med lågt läckage.

C. Projekt

Kursen innehåller ett projekt som redovisas genom en presentation. Varje grupp studenter kommer att välja ett fysikaliskt fenomen eller en halvledarkomponent som de är intresserade av. Genom att använda alla tillgängliga medel (läroböcker, vetenskapliga artiklar, internet etc) ska studenterna hålla en intressant och kursrelevant presentation av deras projekt. Studenterna kommer också att rekommendera två vetenskapliga artiklar i ämnet till sina kollegor. Dessa artiklar kommer att ingå i kurslitteraturen och i den skriftliga tentamen.
Exempel på projekt är: halvledarlasrar, THz-transistorer, finFET transistorer, elektronik i diamant, solceller etc.

Organisation

Föreläsningar, övningar och inlämningsuppgifter kommer att utgöra ryggraden i den här kursen. Laborationerna kommer att starta ett par veckor in i läsperioden och projekten kommer att presenteras i slutet av kursen. En detaljerad tidsplan kommer att finnas på kursens hemsida.

Litteratur

S. M. Sze, Y. Li, K. K. Ng, ”Physics of Semiconductor Devices”,  fjärde utgåvan, Wiley
Vetenskapliga och tekniska artiklar

Examination inklusive obligatoriska moment

Godkänd skriftlig tentamen och godkända laborationer.

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 kurstillfälle:
    • 2021-04-20: Block Block B tillagt av Jan Stake
      [Kurstillfälle 1]