Course syllabus

Jump to today

Kurs-PM

MCC086 MCC086 Mikroelektronik lp1 HT21 (7,5 hp)

Kursen ges av institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap

 

Kontaktuppgifter

Helena Rodilla
  
HRodilla-170_220.jpg Funktion: Kursansvarig, examinator, föreläsare
E-Post: rodilla@chalmers.se
Rum: D621, MC2
Björn Hult
  
Björn.PNG Funktion: Handledare
E-Post: bjornhu@chalmers.se
Rum: B611, MC2
Ragnar Ferrand-Drake Del Castillo
  
Funktion: Handledare
E-Post: ragnarf@chalmers.se
Rum: B611, MC2
Marlene Bonmann
 
Funktion: Handledare
E-Post: marbonm@chalmers.se
Rum: D618, MC2

Alla sitter i byggnaden MC2 (Institutionen för mikroteknologi and nanovetenskap)

 

Kursens 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.

 

Schema

TimeEdit

 

Kurslitteratur

Donald A. Neamen: Semiconductor Physics and Devices  (Links to an external site.), McGraw-Hill (2012)

download

 

Kursens upplägg

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.

 

Förändringar sedan förra kurstillfället

Kursen har en ny examinator. Struktur och innehåll från tidigare år kommer att bevaras i stort, men små modifieringar kan ske. Föreläsningarna kommer att hållas på engelska. Projekten och tentamen kommer att formuleras på engelska, även om studenterna kan välja att svara på svenska om de känner sig mer bekväma med det. I år har även bonuspoängsgrundande systemet ändrats. Extra bonuspoäng kan inte längre erhållas i muntliga projektpresentationen.

 

Lärandemål

  • 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), bipolärtransistore

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

 

Examination

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 tre delar. På första delen (uppgift 1) behövs inga hjälpmedel; den omfattar fem 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 2 utgör den andra delen och den behandlar tillverkningsteknik.

Den tredje och avslutande delen innehåller tre beräkningsuppgifter som förutsätter tillgång till och god förtrogenhet med referenslitteratur (kurshäfte och kursbok).

 

Länk till kursplanen i Studieportalen Studieplan

Course summary:

Date Details Due