Komponentfysik Introduktion. Kursöversikt. Hålltider --- Ellära: Elektriska fält, potentialer och strömmar

Transkript

1 Komponentfysik 2014 Introduktion Kursöversikt Hålltider --- Ellära: Elektriska fält, potentialer och strömmar 1

2 Lite om mig själv Erik Lind Lektor i nanoelektronik vid EIT sedan 2012 Docent i Fasta Tillståndets Fysik Introduction, High Speed Devices

3 Kursöversikt 142 h föreläsningar h övningar 2 laborationer med rapporter Förberedelseuppgifter inför varje lab! 10-12, E:1406 Se schema! Två grupper Börjar 7/4. Anmäl er via hemsidan kommer snart! 2 inlämningsuppgifter Deadlines: 28/3 och 9/5 Skriftlig tentamen 26/ Formelsamling,Beteckningslista, Räknare, TeFyMa OBS! Laborationsrapporter OBS! Inlämning senast: En vecka efter labben Godkända senast: 13 juni! 3

4 Kurshemsida & Kompendium Uppdateras löpande med all information! Kompendium av Anders Gustafsson Laddas ner / Delas ut i pausen! Finns att ladda ner: Föreläsningsslides (kommer efterhand) Kursprogram Övningsuppgifter + Lösningar 2 Inlämningsuppgifter (kommer efterhand) 2 Labhandledningar E-tentor med lösningar 4

5 Lokaler för labbarna Mitt kontor: E2321 Laborationer i H 200 Eakt plats på hemsidan! 5

6 Komponentfysik? 1) Vad är en halvledare 2) Hur kan vi styra hur elektroner rör sig i en halvledare 3) Hur fungerar en diod/solcell/lysdiod 4) Hur fungerar en Bipolär Transistor 5) Hur fungerar en MOSFET? 6) Vad sätter hastigheten för en transistor? Varför går en CPU i ~5 GHz (och inte 5 MHz eller 5 THz?) 6

7 Varför Komponentfysik II Lysdiod Omvandlar elektrisk energi till ljus Hur fungerar en lysdiod? Hur får man olika färger? Hur fungerar en halvledarlaser? Solceller Omvandlar ljus till elektrisk energi Hur fungerar en solcell? Varför har en normal solcell bara ~20% effektivitet? Hur kan man göra den bättre? 7

8 För att bli godkänd på kursen Beskriva grundläggande begrepp inom halvledarfysiken Förklara hur strömmar och inbyggd spänning uppkommer i en diod Förklara funktionen hos transistorer och dioder Göra enklare beräkningar på strömmar i dioder och transistorer Förklara orsaken till frekvensberoendet hos en transistor Skriva strukturerade labrapporter 8

9 Föreläsningarnas struktur Svårigheter: Många nya begrepp Många nya beteckningar finns i beteckningslistan Många formler finns i formelsamlingen Bandstruktur, potential, diffusionsström, Fermienergi, dopning n, µ n, D n, D p, N D, N AB, E F, U th, kt, U bi, ev, F F. Hög nivå av abstraktion Relativt komplea system Kursmaterial: Lärobok Föreläsningsslides Övningar Formelsamling, Beteckningslista Föreläsningarna: Få matematiska härledningar Illustrera & förklara begrepp Ge eempel 9

10 Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer Optokomponenter pn-övergång: strömmar och kapacitanser Minnen: Flash, DRAM MOSFET: strömmar MOSFET: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar 10

11 Ellära: Laddningar E-Fält - Potential Elektrisk Laddning: z() [C m -3 ] Nettoladdning Elektriskt Fält: e() [V/m] Kraft på en elektron Elektrisk Potential: U() [V] Spänningsskillnad vad vi mäter med en voltmeter En elektrons potentiella energi 11

12 Laddning - Fält - Potential - Energi Laddning (z ) e e r 0 z d e e r 0 ε d () d Elektriskt fält (e) e e r 0 z d e e r 0 d U( ) 2 d 2 ε d C du( ) d Elektrisk potential (U)

13 Illustration: Plattkondensator =0 =d ε C ' e re 0 d Q CU ( F ( C / m / 2 2 m ) ) +Q -Q e U d ( V / m ) + - U OBS! Förväla inte ε 0 och ε r (permittivitet) med ε (elektriskt fält) 13

14 U (V) e (V/m) z Illustration: Plattkondensator =0 =d ε 1 z 1 ε z e re 0 e re 0 d U ε U ε d 14

15 U (V) e (V/m) z 2 minuters övning: skissa e() och U() =0 =d ε 1 z 1 ε z e re 0 e re 0 d U(0)=0 U ε U εd C 15

16 Elektriska Strömmar I Q t - Ström: Mängd laddning (Q) som passerar genom en yta under en viss tid (t) Driftström Elektroner som rör sig i elektriskt fält Ohms Lag Diffusionsström Elektroner som rör sig pga termisk energi 16

17 Driftström Ohms lag e J ( ) vd nε en( ) v d ( ) ( A/ 2 m ) J ( ) eµ nn( ) e ( ) ( A/ 2 m ) e=u DS /L µ n mobilitet för elektroner (m 2 /Vs) J =I/A strömtäthet (A/m 2 ) n koncentration av elektroner (m -3 ) =1/r=konduktans (S/m) I R 1 ea L A n nε enn Ohms lag. Resistorer. Fälteffekttransistorer. Solceller. 17

18 Elektriska Strömmar I Q t - Ström: Mängd laddning (Q) som passerar genom en yta under en viss tid (t) Driftström Elektroner som rör sig i elektriskt fält Ohms Lag Diffusionsström Elektroner som rör sig pga termisk energi 18

19 Diffusionsström Diffusion är en ström av partiklar från en hög koncentration mot en låg koncentration Fysikalisk bakgrund slumpvis termisk rörelse hos partiklar 19

20 Diffusionsström matematiskt uttryck Diffusionsströmmen ges av gradienten av elektronkoncentrationen I n ea d d ( D n( )) n ea( kt e µ n ) dn( ) d n(0)=n 0 n(l)=n L Om I n är konstant n()=a+b! Kräver inget elektriskt fält n(0) n(l)=n L 20

21 Elektriska Strömmar I Q t - Ström: Mängd laddning (Q) som passerar genom en yta under en viss tid (t) Driftström Elektroner som rör sig i elektriskt fält Ohms Lag Diffusionsström Elektroner som rör sig pga termisk energi 21

22 Sammanfattning - Elektriska laddningar (z -> integrera -> elektriskt fält (e -> integrera -> potential - Driftström: bestäms av pålagt fält, laddningkoncentration och mobilitet. I drift ea nε n - Diffusionsström: bestäms av koncentrationsgradienten. I diffusion ead n dn( ) d AkTµ n dn( ) d 22

23 Sammanfattning - beteckningar U potential (V) e elektriskt fält (V/m) z elektrisk laddning (koncentration) (C/m 3 ) n: laddningskoncentration - elektroner (m -3 ) µ n : mobilitet (elektroner) (m 2 /Vs) I: ström (A) J: strömtäthet (A/m 2 ) r=1/ = resistivitet (ohm m) D n : diffusivitet (m 2 /Vs) k: Boltzmans konstant ( ) (J/K) e: elementarladdningen: ( C) e 0 : dielektricitetskonstant i vakuum ( F/m) e r : relativ dielektricitetskonstant T: Temperatur (K) Föreläsning 1, Komponentfysik