Komponentfysik Introduktion. Kursöversikt. Varför Komponentfysik? Hålltider --- Ellära, Elektriska fält och potentialer

Transkript

1 Komponentfysik 2012 Introduktion Kursöversikt Varför Komponentfysik? Hålltider Ellära, Elektriska fält och potentialer 1

2 Lite om mig själv Erik Lind Civ. Ing. i Teknisk Fysik Doktorerade i Fasta Tillståndets Fysik Postdoktor vid UC Santa Barbara Forskarassistent och docent vid Fasta Tillståndets Fysik Lektor vid EIT i högfrekvent nanoelektronik 2011 Jobbar med högfrekvent nanoelektronik: tillverkning av transistorer och kretsar, pulsbaserade kommunikationssystem, mmstora antenner Samarbete med startups och TSMC Nystartat företag Acconeer AB Introduction, High Speed Devices

3 Kursöversikt 14 2 h föreläsningar h övningar 2 laborationer med rapporter Obligatoriska förberedelseuppgifter inför varje lab! Måndag 1012, E:B Fredag 1012 E:1406. Annorludna första veckan. Två grupper, E3336 (onsdag 810) E3319 (torsdag 1012) Börjar 24/4. Anmäl er via hemsidan..! 2 inlämningsuppgifter Deadlines: 30/3 och 4/5 Skriftlig tentamen 21/5 813 Formelsamling,Beteckningslista, Räknare, TeFyMa OBS! Laborationsrapporter OBS! Inlämning senast: En vecka efter labben Godkända senast: 15e juni! 3

4 Kurshemsida & Kompendium Uppdateras löpande med all information! Kompendium av Anders Gustafsson Uppdaterat till 2011 Delas ut i pausen! Finns att ladda ner: Föreläsningsslides (kommer efterhand) Kursprogram Övningsuppgifter + Lösningar 2 Inlämningsuppgifter (kommer efterhand) 2 Labhandledningar Extentor med lösningar 4

5 Lokaler för labbarna E:B Mitt kontor: E2123 Laborationer i H 200 Exakt plats på hemsidan! 5

6 Varför Komponentfysik? Digital IC Design Analog Elektronik Datorteknik Programmering Komponentfysik 6

7 Varför Komponentfysik? Hur uppför sig elektroner i ett material? Vad skiljer en metall/isolator/halvledare? Hur fungerar en pnövergång? Hur fungerar en bipolär transistor? Hur fungerar en Fälteffekttransistor? Hur fungerar DRAM? Hur fungerar Flashminnen? Vilka begränsningar / möjligheter finns för BJT/FETs? Föreläsning 1, Komponentfysik

8 Varför Komponentfysik Moores lag 8

9 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 är har en normal solcell bara ~20% effektivitet? Hur man kan göra den bättre? 9

10 För att bli godkänd på kursen Beskriva grundläggand begrepp inom halvledafysiken 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 10

11 Grundläggande förståelse för andra kurser Nanoelektronik Process och komponentteknologi Halvledarfysik Höghastighetselektronik Analog ICkonstruktion Fysiken för lågdimensionella strukturer och kvantkomponenter Fysik kvantfenomen och nanoteknologi Analog konstruktion Analoga projekt Process och komponentteknologi Halvledarfysik Analog ICkonstruktion ICprojekt och verifiering Radio, Radio Elektronik Digital mikroelektronik Digitala projekt Process och komponentteknologi VLSIarkitektur ICprojekt och verifiering Digital ICkonstruktion Mastersprogram: SystemonChip (SOCware) Allmänbildning för en E:are! 11

12 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, Φ F. Hög nivå av abstraktion Relativt komplexa system Kursmaterial: Lärobok Föreläsningsslides Övningar Formelsamling, Beteckningslista Föreläsningarna: Få matematiska härledningar Illustrera & förklara begrepp Ge exempel 12

13 Komponentfysik Kursöversikt Bipolära Transistorer Optokomponenter pnövergång: strömmar och kapacitanser Minnen: Flash, DRAM MOSFET: strömmar MOSFET: laddningar pnövergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: noch ptyp material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar 13

14 Ellära: Laddning Fält Potential Elektriska komponenter: Hur reagerar rörlig laddning (elektroner) på: Elektrisk potential/spänning (U) Elektriska fält (ε) Fast elektrisk laddningskoncentration ( ζ ) (zäta) Hur ser förhållandet ut mellan dessa? ε Studeras mer ingående i Elektromagnetisk Fältteori. 14

15 Illustration: Plattkondensator x=0 x=d x C ' ε rε 0 = d ( F / m 2 ) Q = CU ( Q / 2 m ) 15

16 Illustration: Plattkondensator x=0 x=d ζ εx ( x) ε( x = 1 ζ ε1 ( x) ( x) = ζ ( x) ε rε 0 ε rε 0 dx ε (V/m) x ) = ( x) U ( x) ( x) U x = x εdx U (V) x 16

17 Laddning Fält Potential Energi Laddning Elektriskt fält ζ ( x) ε ε r 0 = ε d (x) dx Poissons ekvationer: Elektriskt fält ε (x) = Elektrisk potential du ( x) dx Laddning ζ ( x) ε ε r 0 = Elektrisk potential d U ( x) 2 dx 2 Potentiell Energi: E pot ( x) eu ( x) = E pot [J] eller [ev] 1 ev = 1/e J 17

18 2 minuters övning: skissa ε(x) och U(x) x=0 x=d ε (V/m) ζ x x ( x) ε( x = 1 ζ εx ( x) ( x) = ζ ( x) 1 ε rε 0 ε rε 0 dx U x x εu(0)=0 ) x ( x) U ( x) ( x) dx C = = ε + U (V) x 18

19 Elektriska Strömmar I Q = t Ström: Mängd laddning ( Q) som passerar genom en yta under en viss tid ( t) Driftström: Diffusionsström: ε Elektroner rör sig i ett elektriskt fält Ohms lag Termisk energi orsakar slumpvis rörelse. Elektroner rör sig från hög mot låg koncentration 19

20 Elektriskt Fält och rörliga elektroner Ström ε J d ε= env ( ) 2 ( A/ m ) v d elektroners drifthastighet (m/s) J strömtäthet (A/m 2 ) n koncentration av elektroner (m 3 ) V d (m/s) v d µ n (V/m)εE v sat µ n elektronmobilitet (m 2 /Vs) 20

21 Driftström Ohms lag ε J = εn env d ( A/ 2 m ) v d µ ε=u DS /L I = eaµ nn ε1 L R = σ = enµ σ=1/ρ=konduktans (S/m) σ n A µ n mobilitet för elektroner (m 2 /Vs) J strömtäthet (A/m 2 ) n koncentration av elektroner (m 3 ) Ohms lag. Resistorer. Fälteffekttransistorer. Solceller. 21

22 Diffusionsström Diffusion är en ström av partiklar från en hög koncentration mot en låg koncentration Fysikalisk bakgrund slumpvis termisk rörelse hos partiklar Föreläsning 1, Komponentfysik

23 Diffusionsström matematiskt uttryck Diffusionsströmmen ges av gradienten av elektronkoncentrationen I n = ead n dn( x) dx = ea( kt e µ n ) dn( x) dx n(0)=n 0 n(l)=n L Om I n är konstant n(x)=ax+b! Kräver inget elektriskt fält n(0) n(l)=n L x 23

24 I n = ead Diffusionsström matematiskt uttryck Diffusionsströmmen ges av gradienten av elektronkoncentrationen n dn( x) dx = ea( Om I n är konstant n(x)=ax+b! kt e µ n dn( x) ) dx n(0)=n 0 n (m3) n(x) n(l)=n L x Diffusionsströmmen styr beteendet i en pnövergång och Bipolära transistorer! Gradienten av n(x) ger diffusionsströmmen! 24

25 Sammanfattning beteckningar U potential (V) ε elektriskt fält (V/m) ζ 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 ) ρ=1/σ = resistivitet (ohm m) D n : diffusivitet (m 2 /Vs) k: Boltzmans konstant (1.38e23) (J/K) e: elementarladdningen: (1.602e19) T: Temperature (K) 25