Kwantowe podstawy elektroniki

fizyka

Wykład wykorzystuje pojęcia i bazuje na informacjach oraz technikach rachunkowych wchodzących w skład następujących przedmiotów w ich podstawowym zakresie (I - III rok studiów):

- mechanika kwantowa

- elektrodynamika klasyczna

- wstęp do optyki i fizyki ciała stałego

w sali

Celem wykładu jest wprowadzenie podstawowych pojęć dotyczących fizyki półprzewodników, mechanizmów przewodnictwa elektrycznego i przejść optycznych, a w dalszej części - wykorzystanie tych informacji do omówienia działania podstawowych elementów elektronicznych, głównie tranzystorów polowych i diod świecących.

Program wykładu obejmuje następujące zagadnienia:

- Struktura pasmowa i gęstość stanów półprzewodników

- Statystyka elektronów i dziur w półprzewodnikach

- Przewodnictwo elektronów i dziur w półprzewodnikach

- Ruchliwość i mechanizmy rozpraszania, krawędź ruchliwości

- Złącze p-n

- Tunelowanie, złącze tunelowe

- Tranzystory polowe

- Diody świecące

W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone

P. S. Kiriejew, Fizyka półprzewodników

D. L. Pulfrey, Understanding Modern Transistors and Diodes.

S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices

G. Bastard, Wave mechanics applied to semiconductor heterostructures

Wiedza:

Wykład rozszerza wiedzę ogólną w zakresie mechaniki kwantowej w zastosowaniu do półprzewodników, podkreśla jej znaczenie dla postępu nauk ścisłych i przyrodniczych oraz rozwoju ludzkości (K_W01), pogłębia wiedzę szczegółową w zakresie elektroniki, fizyki ciała stałego, mechaniki kwantowej i technologii półprzewodnikowych (K_W05), nawiązuje do aktualnych tendencji rozwojowych w tych dziedzinach (K_W06).

Umiejętności:

Studenci nabywają umiejętności zastosowania metod mechaniki kwantowej, fizyki statystycznej i elektrodynamiki w rozwiązywaniu problemów dotyczących działania urządzeń elektronicznych (K_U01), rozwijają umiejętności posługiwania się literaturą fachową (K_U04), dokonywania syntezy metod i idei z różnych obszarów fizyk (K_U05).

Kompetencje społeczne:

Studenci pogłębiają rozumienie potrzeby uczenia się przez całe życie (K_K01), współdziałania w grupie (K_K02), odpowiedniego określania priorytetów służących realizacji postawionego celu, tzn. zaliczenia tego wykładu (K_K03), rozwijają rozumienie znaczenia uczciwości intelektualnej w działaniach własnych i innych osób (K_K04); mają świadomość problemów etycznych w kontekście rzetelności badawczej (plagiat czy autoplagiat).

Egzamin pisemny

Przykładowe pytania egzaminacyjne

1. Narysuj schematycznie dyspersję pasma przewodnictwa w krzemie. Jaki jest kształt powierzchni stałej energii w pasmie przewodnictwa dla małych wektorów falowych?

2. Narysuj schematycznie dyspersję pasma walencyjnego w krysztale o strukturze blendy cynkowej dla małych wektorów falowych.

3. Co to jest kwazicząstka o nazwie dziura?

4. Dany jest półprzewodnik zdegenerowany typu n o strukturze blendy cynkowej. Narysuj schematycznie strukturę pasmową pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego zaznaczając położenie poziomu Fermiego.

5. Rozpatrzmy samoistny GaAs w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Gdzie leży poziom Fermiego - wybierz jedną z odpowiedzi: w paśmie walencyjnym, w paśmie przewodnictwa, w przerwie energetycznej blisko dna pasma przewodnictwa, w przerwie energetycznej blisko wierzchołka pasma walencyjnego, blisko środka przerwy energetycznej.

6. Co to jest ruchliwość elektronu w ciele stałym? Jaki jest jej związek z czasem relaksacji pędowej?

7. Co to jest krawędź ruchliwości?

8. Wymień mechanizmy rozpraszania nośników prądu w krysztale objętościowym.

9. Dana jest struktura złożona z: podłoża z GaAs o grubości 0.3~mm, warstwy Ga$_{0.8}$Al$_{0.2}$As o grubości 1~$mu$m, warstwy GaAs o grubości 10~nm i warstwy Ga$_{0.8}$Al$_{0.2}$As o grubości 1~$mu$m. Struktura nie jest domieszkowana. Narysuj schematycznie przebieg dna pasma przewodnictwa i wierzchołka pasma walencyjnego w całej strukturze.

11. Narysuj przebieg pasma przewodnictwa i walencyjnego w złączu p-n. Zaznacz położenie poziomu Fermiego.

12. Narysuj charakterystykę prądowo - napięciową złącza p-n.

13. Wyjaśnij mechanizm prowadzący do praktycznie stałego (tzn. niezależnego od napięcia zasilającego) prądu zaporowego w złączu p-n.

14. Narysuj rodzinę charakterystyk wyjściowych tranzystora polowego MOSFET z kanałem typu n dla różnych napięć bramki. Podaj relację między napięciami bramki opisującymi poszczególne krzywe (oraz ich znak).

15. Co to jest napięcie progowe tranzystora?

16. Co to są płytkie domieszki? Co to są głębokie domieszki?

17. Dlaczego struktury dwuwymiarowe charakteryzują się z zasady silniejszą luminescencją międzypasmową?

18. Opisz mechanizm, dzięki któremu obecność głębokich domieszek umożliwia generację luminescencji w materiałach o skośnej przerwie.

Nie dotyczy