Εισαγωγή στις Ημιαγωγικές Διατάξεις (Φ-273)
Αλέξανδρος Γεωργακίλας
Μελετάμε τη φυσική για να μπορούμε να καταλαβαίνουμε το φυσικό κόσμο μέσα στον οποίο ζούμε. Υπάρχει όμως και η τεχνολογία που δεν υπήρχε στη φύση, αλλά την αναπτύσσει ο άνθρωπος εφαρμόζοντας τους νόμους της φυσικής. Σκοπός του μαθήματος είναι να βοηθήσει στην κατανόηση της θεμελίωσης της τεχνολογίας των «ηλεκτρονικών» πάνω στους ημιαγωγούς.
Tο µάθηµα απευθύνεται σε δευτεροετείς φοιτητές. Γίνεται εισαγωγή των βασικών εννοιών της φυσικής στερεάς κατάστασης, των ιδιοτήτων των ηµιαγωγών και των τεχνικών ανάπτυξης και επεξεργασίας τους. Εξηγείται πως υλοποιούνται και λειτουργούν οι βασικότερες µικρο/νανο-ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές ηµιαγωγικές διατάξεις (δίοδος, τρανζίστορ, δίοδος λέιζερ, LED, φωτοδίοδος), στις οποίες βασίζεται ένα πλήθος σύγχρονων εφαρμογών, όπως τα συστήµατα επικοινωνιών και πληροφορικής, η διαχείριση και μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας, τα φωτοβολταϊκά, η λήψη και προβολή εικόνων και ο γενικός φωτισμός. Έμφαση δίνεται στην ποιοτική φυσική περιγραφή.
Φ-273. Εισαγωγή στις Ημιαγωγικές Διατάξεις
Ώρες: 4
ΕCTS: 6
Εξάμηνο: 3
Ώρες Διαλέξεων:
Τετάρτη, 11:00-13:00, Αίθουσα 2
Παρασκευή, 11:00-13:00, Αίθουσα 2
Μελετάμε τη φυσική για να μπορούμε να καταλαβαίνουμε το φυσικό κόσμο μέσα στον οποίο ζούμε. Υπάρχει όμως και η τεχνολογία που δεν υπήρχε στη φύση, αλλά την αναπτύσσει ο άνθρωπος εφαρμόζοντας τους νόμους της φυσικής. Σκοπός του μαθήματος είναι να βοηθήσει στην κατανόηση της θεμελίωσης της τεχνολογίας των «ηλεκτρονικών» πάνω στους ημιαγωγούς.
Tο µάθηµα απευθύνεται σε δευτεροετείς φοιτητές. Γίνεται εισαγωγή των βασικών εννοιών της φυσικής στερεάς κατάστασης, των ιδιοτήτων των ηµιαγωγών και των τεχνικών ανάπτυξης και επεξεργασίας τους. Εξηγείται πως υλοποιούνται και λειτουργούν οι βασικότερες µικρο/νανο-ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές ηµιαγωγικές διατάξεις (δίοδος, τρανζίστορ, δίοδος λέιζερ, LED, φωτοδίοδος), στις οποίες βασίζεται ένα πλήθος σύγχρονων εφαρμογών, όπως τα συστήµατα επικοινωνιών και πληροφορικής, η διαχείριση και μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας, τα φωτοβολταϊκά, η λήψη και προβολή εικόνων και ο γενικός φωτισμός. Έμφαση δίνεται στην ποιοτική φυσική περιγραφή.
Φ-273. Εισαγωγή
Μελετάμε τη φυσική για να μπορούμε να καταλαβαίνουμε το φυσικό κόσμο μέσα στον οποίο ζούμε. Υπάρχει όμως και η τεχνολογία που δεν υπήρχε στη φύση, αλλά την αναπτύσσει ο άνθρωπος εφαρμόζοντας τους νόμους της φυσικής. Σκοπός του μαθήματος είναι να βοηθήσει στην κατανόηση της θεμελίωσης της τεχνολογίας των «ηλεκτρονικών» πάνω στους ημιαγωγούς.
Tο µάθηµα απευθύνεται σε δευτεροετείς φοιτητές. Γίνεται εισαγωγή των βασικών εννοιών της φυσικής στερεάς κατάστασης, των ιδιοτήτων των ηµιαγωγών και των τεχνικών ανάπτυξης και επεξεργασίας τους. Εξηγείται πως υλοποιούνται και λειτουργούν οι βασικότερες µικρο/νανο-ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές ηµιαγωγικές διατάξεις (δίοδος, τρανζίστορ, δίοδος λέιζερ, LED, φωτοδίοδος), στις οποίες βασίζεται ένα πλήθος σύγχρονων εφαρμογών, όπως τα συστήµατα επικοινωνιών και πληροφορικής, η διαχείριση και μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας, τα φωτοβολταϊκά, η λήψη και προβολή εικόνων και ο γενικός φωτισμός. Έμφαση δίνεται στην ποιοτική φυσική περιγραφή.
Φ-273. Εισαγωγή
Περίγραμμα
Διδάσκων
Περιεχόμενο μαθήματος
-
Εισαγωγή: γνωστές ημιαγωγικές διατάξεις, επίπεδα μελέτης στα «ηλεκτρονικά», είδη στερεών υλικών και ημιαγωγοί, οι τρείς κύριες οικογένειες ημιαγωγών, τετραεδρική κρυσταλλική δομή, τομείς εφαρμογών
-
Κρυσταλλική και ηλεκτρονική δομή ημιαγωγών: Η περίπτωση πυριτίου (Si), ομοιοπολικοί δεσμοί και σχηματισμός κρυστάλλου, ενεργειακές ζώνες και ενεργειακό χάσµα, οι φορείς ηλεκτρικού φορτίου ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές, οι προσμίξεις εμπλουτισμού δοτών και αποδεκτών, αγωγιμότητα τύπου-n και τύπου-p
-
Ενεργειακή κατανομή και συγκεντρώσεις φορέων: Κατανομή Fermi-Dirac, στάθμη Fermi, ενεργές πυκνότητες καταστάσεων, κατανομή και συγκεντρώσεις των φορέων σε κατάσταση ισορροπίας, εξάρτηση από την θερμοκρασία, καθορισμός συγκεντρώσεων φορέων από τις συγκεντρώσεις δοτών και αποδεκτών
-
Διεργασίες των φορέων και ηλεκτρικά πεδία στους ημιαγωγούς: Ρεύματα ολίσθησης, ευκινησία και ειδική αντίσταση, ρεύματα διάχυσης, γένεση-επανασύνδεση, απορρόφηση και εκπομπή φωτονίων, χωρική μεταβολή ενεργειών και δυναμικού σε ημιαγωγικές διατάξεις, διαγράμματα ενεργειακών ζωνών
-
Ανάπτυξη υλικού ημιαγωγών: Γενικά στοιχεία μεθόδων ανάπτυξης κρυστάλλων και επιταξιακής ανάπτυξης, μέθοδοι Czochralski για Si και GaAs, μέθοδος επιπλέουσας ζώνης για Si, επίταξη µε µοριακές δέσμες (ΜΒΕ), επίταξη αερίου φάσης με μεταλλοργανικές ενώσεις (MOVPE)
-
Κατασκευή διατάξεων και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων: διεργασίες κατασκευής, φωτολιθογραφία, σχηματισμός σχεδίων μετάλλων µε τις μεθόδους ανασηκώματος και χάραξης
-
Η επαφή pn: φυσική κατασκευή, ενεργειακό διάγραμμα, περιοχή απογύμνωσης και εσωτερικό δυναμικό, ανορθωτική συμπεριφορά ρεύματος (δίοδος), εκπομπή φωτονίων (LED, δίοδος λέιζερ), μετατροπή φωτονίων σε ρεύμα (φωτοδίοδος, φωτοβολταϊκό στοιχείο)
-
Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET): Γενικά χαρακτηριστικά κατασκευής και λειτουργίας, MOSFET Si, MESFET GaAs, ταχύτητα και συχνότητα λειτουργίας
-
Πιθανή αναφορά σε άλλα θέματα ημιαγωγικών διατάξεων και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, ανάλογα με το ενδιαφέρον φοιτητών και ενδεχόμενες εργασίες τους, καθώς και παρουσιάσεις ερευνητικών αποτελεσμάτων από προσκεκλημένους ερευνητές
Βιβλιογραφία
- Σηµειώσεις και Διαφάνειες του Διδάσκοντος (Α. Γεωργακίλας)
- «Ολοκληρωμένες Μικροηλεκτρονικές Διατάξεις», J. A. del Alamo, Επιμέλεια-Μετάφραση Δ. Τσουκαλάς (Εκδότης DaVinci)
- «Διατάξεις Ημιαγωγών, Φυσική και Τεχνολογία» 3η έκδοση, S. Sze and M.-K. Lee, Επιμέλεια-Μετάφραση Σ. Γαρδέλης (Εκδότης Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ)
- «Φυσική Ημιαγωγών», Γ.Π. Τριμπέρης (Εκδότης Liberal Books)
- «Ηλεκτροτεχνικά Υλικά, Αρχές και Εφαρμογές», 4η έκδοση, Kasap S.O., Επιμέλεια-Μετάφραση Ι. Παναγιωτόπουλος, Ελ. Λοιδωρίκης, Δ. Παπαγεωργίου (Εκδότης Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ)
- «Οπτοηλεκτρονική», Jasprit Singh (Εκδότης Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ)
- «Semiconductor Fundamentals», 2nd Edition, Modular Series on Solid State Devices, Volume I, R. F. Pierret, Addison Wesley, MA, 1988
- «Solid State electronic Devices», B.G. Streetman and S. Banerjee, Prentice Hall
- «Electronic Materials Science: For Integrated Circuits in Si and GaAs», J.W. Mayer & S. S. Lau, Macmillan, NY, 1988
Ιστοσελίδες ενημέρωσης για θέματα ημιαγωγών και τεχνολογίας:
- https://spectrum.ieee.org
- https://irds.ieee.org
- https://en.wikipedia.org/wiki/International_Technology_Roadmap_for_Semiconductors
- https://www.semiconductor-today.com
- https://compoundsemiconductor.net
- https://www.eetimes.com
-
Εισαγωγή: γνωστές ημιαγωγικές διατάξεις, επίπεδα μελέτης στα «ηλεκτρονικά», είδη στερεών υλικών και ημιαγωγοί, οι τρείς κύριες οικογένειες ημιαγωγών, τετραεδρική κρυσταλλική δομή, τομείς εφαρμογών
-
Κρυσταλλική και ηλεκτρονική δομή ημιαγωγών: Η περίπτωση πυριτίου (Si), ομοιοπολικοί δεσμοί και σχηματισμός κρυστάλλου, ενεργειακές ζώνες και ενεργειακό χάσµα, οι φορείς ηλεκτρικού φορτίου ελεύθερα ηλεκτρόνια και οπές, οι προσμίξεις εμπλουτισμού δοτών και αποδεκτών, αγωγιμότητα τύπου-n και τύπου-p
-
Ενεργειακή κατανομή και συγκεντρώσεις φορέων: Κατανομή Fermi-Dirac, στάθμη Fermi, ενεργές πυκνότητες καταστάσεων, κατανομή και συγκεντρώσεις των φορέων σε κατάσταση ισορροπίας, εξάρτηση από την θερμοκρασία, καθορισμός συγκεντρώσεων φορέων από τις συγκεντρώσεις δοτών και αποδεκτών
-
Διεργασίες των φορέων και ηλεκτρικά πεδία στους ημιαγωγούς: Ρεύματα ολίσθησης, ευκινησία και ειδική αντίσταση, ρεύματα διάχυσης, γένεση-επανασύνδεση, απορρόφηση και εκπομπή φωτονίων, χωρική μεταβολή ενεργειών και δυναμικού σε ημιαγωγικές διατάξεις, διαγράμματα ενεργειακών ζωνών
-
Ανάπτυξη υλικού ημιαγωγών: Γενικά στοιχεία μεθόδων ανάπτυξης κρυστάλλων και επιταξιακής ανάπτυξης, μέθοδοι Czochralski για Si και GaAs, μέθοδος επιπλέουσας ζώνης για Si, επίταξη µε µοριακές δέσμες (ΜΒΕ), επίταξη αερίου φάσης με μεταλλοργανικές ενώσεις (MOVPE)
-
Κατασκευή διατάξεων και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων: διεργασίες κατασκευής, φωτολιθογραφία, σχηματισμός σχεδίων μετάλλων µε τις μεθόδους ανασηκώματος και χάραξης
-
Η επαφή pn: φυσική κατασκευή, ενεργειακό διάγραμμα, περιοχή απογύμνωσης και εσωτερικό δυναμικό, ανορθωτική συμπεριφορά ρεύματος (δίοδος), εκπομπή φωτονίων (LED, δίοδος λέιζερ), μετατροπή φωτονίων σε ρεύμα (φωτοδίοδος, φωτοβολταϊκό στοιχείο)
-
Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET): Γενικά χαρακτηριστικά κατασκευής και λειτουργίας, MOSFET Si, MESFET GaAs, ταχύτητα και συχνότητα λειτουργίας
-
Πιθανή αναφορά σε άλλα θέματα ημιαγωγικών διατάξεων και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, ανάλογα με το ενδιαφέρον φοιτητών και ενδεχόμενες εργασίες τους, καθώς και παρουσιάσεις ερευνητικών αποτελεσμάτων από προσκεκλημένους ερευνητές
- Σηµειώσεις και Διαφάνειες του Διδάσκοντος (Α. Γεωργακίλας)
- «Ολοκληρωμένες Μικροηλεκτρονικές Διατάξεις», J. A. del Alamo, Επιμέλεια-Μετάφραση Δ. Τσουκαλάς (Εκδότης DaVinci)
- «Διατάξεις Ημιαγωγών, Φυσική και Τεχνολογία» 3η έκδοση, S. Sze and M.-K. Lee, Επιμέλεια-Μετάφραση Σ. Γαρδέλης (Εκδότης Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ)
- «Φυσική Ημιαγωγών», Γ.Π. Τριμπέρης (Εκδότης Liberal Books)
- «Ηλεκτροτεχνικά Υλικά, Αρχές και Εφαρμογές», 4η έκδοση, Kasap S.O., Επιμέλεια-Μετάφραση Ι. Παναγιωτόπουλος, Ελ. Λοιδωρίκης, Δ. Παπαγεωργίου (Εκδότης Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ)
- «Οπτοηλεκτρονική», Jasprit Singh (Εκδότης Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ)
- «Semiconductor Fundamentals», 2nd Edition, Modular Series on Solid State Devices, Volume I, R. F. Pierret, Addison Wesley, MA, 1988
- «Solid State electronic Devices», B.G. Streetman and S. Banerjee, Prentice Hall
- «Electronic Materials Science: For Integrated Circuits in Si and GaAs», J.W. Mayer & S. S. Lau, Macmillan, NY, 1988
Ιστοσελίδες ενημέρωσης για θέματα ημιαγωγών και τεχνολογίας:
- https://spectrum.ieee.org
- https://irds.ieee.org
- https://en.wikipedia.org/wiki/International_Technology_Roadmap_for_Semiconductors
- https://www.semiconductor-today.com
- https://compoundsemiconductor.net
- https://www.eetimes.com
