Detail předmětu

Mikroelektronické prvky a struktury

FEKT-LMPRAk. rok: 2013/2014

Základní funkční bloky mikroelektronických struktur.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav mikroelektroniky (UMEL)

Výsledky učení předmětu

Písemnou a ústní zkouškou se ověřuje, že absolvent předmětu je schopen:

Vysvětlit fyzikální podstatu polovodičových materiálů;
Vysvětlit fyzikální podstatu strmého přechodu PN;
Vyjmenovat hlavní parametry přechodu PN a jejich vlastnosti;
Vysvětlit průrazy přechodu PN;
Popsat princip přechodu kov-polovodič a Schottkyho jev;
Vyjmenovat fyzikální mechanismy transportu elektrického náboje přes přechod kov-polovodič;
Popsat rozdíly mezi přechodem PN a přechodem kov-polovodič;
Vyjmenovat druhy heteropřechodů;
Vysvětlit rozdíly mezi strmým a gradovaným heteropřechodem;
Vyjmenovat fyzikální mechanismy transportu elektrického náboje přes přechod;
Vysvětlit pojmy mřížkově přizpůsobený a mřížkově nepřizpůsobený heteropřechod,
Definovat a vysvětlit pojmy koherentně rostlá vrstva a kritická tloušťka vrstvy;
Vysvětlit princip bipolárního tranzistoru;
Popsat složky emitorového, kolektorového a bázového proudu;
Vysvětlit parametry BT v aktivním normálním režimu (injekční účinnost emitoru, činitel
přenosu minoritních nosičů bází);
Definovat proudový zesilovací činitel pro zapojení SB a proudový zesilovací činitel pro zapojení SE;
Popsat činnost BT v režimu vysoké injekce;
Popsat a nakreslit typickou strukturu BT s heteropřechodem EB;
Vysvětlit pojmy: gradovaná báze a kvazielektrické pole u heterotranzistorů;
Popsat rozdíly mezi strmým a gradovaným heteropřechodem;
Nakreslit a popsat strukturu MIS;
Vyjmenovat podmínky pro ideální strukturu MIS;
Nakreslit pásový diagram MIS struktury a vysvětlit pojmy: Fermiho potenciál, Intrinsický
potenciál, Objemový potenciál, Povrchový potenciál;
Popsat vlastnosti oxidové vrstvy struktury MIS;
Nakreslit a popsat strukturu MOSFET;
Vysvětlit význam a princip aproximací: „gradual-channel aproximation“ a „chargé-sheet
approximation“;
Nakreslit a popsat strukturu MOSFET v režimech: lineární, přechod do saturace, saturace;
Vysvětlit pojem “tranzistoru s krátkým kanálem” a “tranzistoru s dlouhým kanálem”;
Popsat fyzikální jevy, které se objevují u tranzistoru s krátkým kanálem;
Nakreslit a popsat rozdíly mezi strukturou tranzistoru s krátkým a dlouhým kanálem;
Vysvětlit princip modelu sdílení náboje (charge sparing model) a jeho význam při snižování
prahového napětí u tranzistoru s krátkým kanálem;
Vysvětlit co znamená snížení potenciálové bariéry vlivem napětí VDS („drain-induced barrier
lowering“, DIBL) a jak tento model vysvětluje snížení prahového napětí u tranzistoru s krátkým kanálem;
Vysvětlit pojem horké elektrony a popsat jevy, které tyto elektrony vyvolávají;
Popsat princip tranzistoru s feromagnetickým hradlem.

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují vzájemně provázané přednášky, numerická cvičení a laboratoře. Předmět využívá e-learning (Moodle).

Způsob a kritéria hodnocení

Podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Učební cíle

Podrobné studium struktur a vlastností mikroelektronických prvků, jejich fyzikálních a obvodových modelů.
Podrobné studium modelů součástek, jejich parametrů a použitelnosti.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Doporučená literatura

Sze S.M.: Physics of Semiconductor Devices. Wiley, 1981. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-ML magisterský navazující

    obor ML-MEL , 1 ročník, zimní semestr, povinný

  • Program EEKR-ML1 magisterský navazující

    obor ML1-MEL , 1 ročník, zimní semestr, povinný

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc.

Osnova

1. Přehled fyziky polovodičů.
2. Přechod PN a polovodičové diody.
3. Kontakt kov-polovodič, Schottkyho diody, ohmické kontakty.
4. Heteropřechody a supermřížky.
5. Bipolární tranzistor s homogenními přechody.
6. Bipolární tranzistor s heteropřechody.
7. Struktura MIS.
8. Tranzistor MOSFET, struktury CMOS.
9. Moderní typy tranzistorů FET.
10. Tranzistory HEMT.
11. Elektroluminiscenční a laserové diody.
12. Nové fyzikální jevy a související struktury.
13. Časová rezerva.

Literatura
Sze S. M., Ng K. K.: Physics of Semiconductor Devices. Wiley, 2006.
Sze S. M., Chang C. Y.: ULSI Devices, Wiley, 2000.
Hess K.: Advanced Theory of Semiconductor Devices. Wiley, 2000.
Liu J.: Photonic Devices. Cambridge University Press, 2005.
Brennan K. F., Brown A. S.: Theory of Modern Semiconductor Devices. Wiley 2002.

Cvičení na počítači

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ondřej Hégr, Ph.D.

Osnova

1. Pásové diagramy polovodičových struktur, koncentrace nosičů náboje.
2. Určení parametrů polovodičové diody z voltampérových charakteristik.
3. Polovodičová dioda ve funkci analogového spínače.
4. Bariérová kapacita diody a její využití.
5. Určení parametrů Schottkyho diod z voltampérových charakteristik.
6. Určení parametrů diod z charakteristik kapacita-napětí.
7. Struktury diod v integrovaných obvodech.
8. Studium struktur a parametrů bipolárního tranzistoru.
9. Kontrolní písemná práce.
10. Studium struktur a parametrů tranzistoru MOSFET.
11. Analogové aplikace tranzistoru MOSFET: analogový spínač, aktivní zátěž.
12. Digitální aplikace tranzistoru MOSFET: hradlo CMOS.
13. Vlastnosti a parametry elektroluminiscenčních diod.