Detail předmětu

Mikroelektronické prvky a struktury

FEKT-MMPRAk. rok: 2019/2020

Základní funkční bloky mikroelektronických struktur.

Garant předmětu

Výsledky učení předmětu

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

- vysvětlit fyzikální podstatu polovodičů a 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;
- vyjmenovat fyzikální mechanismy transportu elektrického náboje přes přechod;
- vysvětlit pojmy mřížkově přizpůsobený a mřížkově nepřizpůsobený heteropřechod, koherentně rostlou vrstvu a kritickou tloušťku 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, proudový zesilovací činitel SB, proudový zesilovací činitel 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;
- 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
- nakreslit a popsat řez strukturou MOSFET v režimech: lineární, přechod do saturace, saturace;
- vysvětlit podmínky kdy se hovoří o tranzistoru s krátkým a dlouhým kanálem, vysvětlit pojem délka kanálu;
- vysvětlit pojmy: objemový jev (body effect), koeficient objemového jevu, podprahový režim tranzistoru;
- popsat fyzikální jevy, které se objevují u tranzistoru s krátkým kanálem;
- nakreslit a popsat rozdíly mezi strukturou tranzistoru s krátkým a dlouhým kanálem;
- vysvětlit pojem horké elektrony a popsat jevy, které tyto elektrony vyvolávají;
- popsat princip tranzistoru s feromagnetickým hradlem.

Na cvičeních se studenti naučí a formou praktického testu se ověřuje schopnost:
- výpočítat a interpretovat základní veličiny v polovodičových materiálech a strukturách
- vyhodnotit a graficky zpracovat data měření VA charakteristiky diody;
- numericky a graficky vyjádřit z VA charakteristiky parametry diody s přechodem PN: saturační proud, emisní koeficienty pro difúzní i generačně-rekombinační složku proudu a sériový odpor diody;
- graficky a numericky řešit obvody s polovodičovými diodami
- graficky a numericky řešit obvody s bipolárním tranzistorem v zapojení SE
- graficky a numericky řešit obvody s tranzistorem MOSFET

Prerekvizity

Z oblasti aplikované matematiky by měl být student schopen: - aplikovat znalosti učiva střední školy (řešení rovnic o jedné a dvou neznámých, řešení kvadratické rovnice); - aplikovat a vysvětlit základní principy integrálního a diferenciálního počtu funkce jedné proměnné (grafické a numerické vyjádření derivace funkce). Z odborné oblasti by měl být student schopen: - vysvětlit základní fyzikální a elektronické principy mající vztah k aktivním mikroelektronickým součástkám a obvodům (Ohmův zákon, VA charakteristiky diod a základních typů tranzistorů, zapojení zesilovače signálu a spínání zátěže promocí tranzistoru); - analyzovat jednoduché elektronické obvody s pasivními součástkami a tranzistory.

Doporučená nebo povinná literatura

HORÁK M.: Mikroelektronické prvky a struktury, SKRIPTUM VUT 2010 (CS)
MUSIL, V. a kol.: Mikroelektronické prvky a struktury. Elektronický text projektu KISP. Brno 2014 (CS)
MUSIL, V. a kol.: Mikroelektronické prvky a struktury. Prezentace projektu KISP. Brno 2014 (CS)
MUSIL, V. a kol.: Mikroelektronické prvky a struktury. Cvičení. Elektronický text projektu KISP. Brno 2014 (CS)

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a cvičení.

Obsah přednášek:
1. Přehled fyziky polovodičů.
2. Základy kvantové elektroniky.
3. Přechod PN a polovodičové diody.
4. Kontakt kov-polovodič, Schottkyho diody, ohmické kontakty.
5. Heteropřechody a supermřížky.
6. Bipolární tranzistor s homogenními přechody.
7. Bipolární tranzistor s heteropřechody.
8. Struktura MIS a její vlastnosti.
9. Tranzistor MOSFET, struktury CMOS.
10. Moderní typy tranzistorů FET.
11. Elektroluminiscenční a laserové diody.
12. Amorfní a polykrystalické polovodiče.
13. Organické polovodiče a molekulární elektronika.

Obsah cvičení:
1. Krystalová struktura polovodičů. Pásové diagramy polovodičových struktur, koncentrace nosičů náboje.
2. Práce s charakteristikami mikroelektronických prvků. Určení parametrů polovodičové diody z voltampérových charakteristik.
3. Polovodičová dioda ve funkci analogového spínače. Bariérová kapacita diody a její využití.
4. Určení parametrů Schottkyho diod z voltampérových charakteristik. Určení parametrů diod z charakteristik kapacita-napětí.
5. Struktury diod v integrovaných obvodech a jejich vlastnosti.
6. Struktura a parametry bipolárního tranzistoru.
7. Bipolární tranzistor jako zesilovač a spínač.
8. Kontrolní písemná práce.
9. Tranzistor JFET jako zesilovač.
10. Struktura a parametry tranzistoru MOSFET.
11. Analogové aplikace tranzistoru MOSFET: analogový spínač, aktivní zátěž.
12. Digitální aplikace tranzistoru MOSFET: hradlo CMOS, početní a grafické řešení.
13. Vlastnosti a parametry elektroluminiscenčních diod a solárních článků.

Způsob a kritéria hodnocení

Studenti jsou hodnoceni v tomto rozložení:

10 bodů - práce ve cvičení
20 bodů - půlsemestrální test znalostí ze cvičení a přednášek
70 bodů - kombinace písemné a ústní zkoušky

Detailní podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Jazyk výuky

čeština

Osnovy výuky

1. Fyzika pevných látek.
2. Fyzika polovodičů a kvantová elektronika.
3. Přechod PN a polovodičové diody.
4. Kontakt kov-polovodič, Schottkyho diody, ohmické kontakty.
5. Heteropřechody a supermřížky.
6. Bipolární tranzistor s homogenními přechody.
7. Bipolární tranzistor s heteropřechody.
8. Struktura MIS a její vlastnosti.
9. Tranzistor MOSFET, struktury CMOS.
10. Moderní typy tranzistorů FET.
11. Optoelektronika, elektroluminiscenční a laserové diody.
12. Amorfní a polykrystalické polovodiče.
13. Organické polovodiče a molekulární elektronika.

Cíl

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.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-M1 magisterský navazující

    obor M1-MEL , 1. ročník, zimní semestr, 5 kreditů, volitelný oborový

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1. ročník, zimní semestr, 5 kreditů, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Cvičení odb. zák.

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Cvičení na poč.

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor