Διατάξεις Ημιαγωγών

ΜΑΘΗΣΙΑΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος ο/η φοιτητής/ήτρια θα είναι σε θέση να:

• Αξιοποιεί μακροσκοπικές παραμέτρους ημιαγωγών προκειμένου να εξάγει συμπεράσματα σχετικά με τις ιδιότητές τους και τις διεργασίες που έχουν υποστεί.
• Αξιολογεί και να ερμηνεύει τις χαρακτηριστικές των διαφόρων ηλεκτρονικών διατάξεων με βάση την κατασκευή τους και τις ιδιότητες των υλικών από τα οποία αποτελούνται.
• Σχεδιάζει και ερμηνεύει τα διαγράμματα ενεργειακών ζωνών.
• Περιγράφει κάποιες ιδιότητες διατάξεων ημιαγωγών χρησιμοποιώντας εξισώσεις.

 

Γενικές Ικανότητες

• Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
• Αυτόνομη Εργασία
• Ομαδική Εργασία

 

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

Το θεωρητικό μέρος του μαθήματος αναπτύσσεται σε δύο διδακτικές ενότητες οι οποίες καλύπτουν:

1. τις απαραίτητες γνώσεις της Φυσικής στερεάς κατάστασης και της Φυσικής ημιαγωγών οι οποίες είναι απαραίτητες για την κατανόηση της λειτουργείας βασικών ηλεκτρονικών διατάξεων. και
2. την ανάλυση της λειτουργίας των διόδων p-n, Schottky, τρανζίστορ BJT και MOSFET.

 

1. 1η Ενότητα “Φυσική Στερεάς κατάστασης και Φυσική των Ημιαγωγών”.
   Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το μοντέλο Bohr για το άτομο του υδρογόνου, το ηλεκτρόνιο σαν κύμα, εξίσωση de Broglie, Ηλεκτρονική δομή Ατόμων, Απαγορευτική αρχή του Pauli, ο ρόλος των Φερμιονίων – Μποζονίων στο κτίσιμο των ατόμων του περιοδικού συστήματος. Κρυσταλλική δομή. Μοναδιαία κυψελίδα. Κρύσταλλοι ημιαγωγών. Μοντέλα ημιαγωγών: το δεσμικό μοντέλο και το μοντέλο των ενεργειακών ζωνών. Ενεργειακό χάσμα και κατηγορίες υλικών. Περιοδικό δυναμικό, ιδιότητες των ευκίνητων φορέων: Φορτίο και ενεργός μάζα. Φορείς στη ζώνη σθένους και στη ζώνη αγωγιμότητας. Θερμική ταχύτητα. Πυκνότητα ατόμων και πυκνότητα ευκίνητων φορέων σε μέταλλα και ημιαγωγούς. Προσμείξεις σε ημιαγωγούς. Εξισώσεις πυκνότητας ενεργειακών καταστάσεων και μονάδες. Πυκνότητα φορέων σε κατάσταση ισορροπίας. Η έννοια της στάθμης Fermi στα μέταλλα και στους ημιαγωγούς. Ωμικές επαφές σε ημιαγωγούς. Αγωγοί, ημιαγωγοί εκτός ισορροπίας. Κίνηση με σκέδαση: Μήκος ελεύθερης διαδρομής και χρόνος εφησυχασμού. Ταχύτητα ολίσθησης. Ευκινησία. Ειδική αντίσταση. Μέτρηση της ευκινησίας και της πυκνότητας ευκίνητων φορέων σε ημιαγωγούς. Κάμψη των ενεργειακών ζωνών. Ρεύματα διάχυσης. Η εξίσωση Einstein. Γέννηση και επανασύνδεση φορέων. Φωνόνια. Διαγράμματα E-k και ενεργός μάζα. Οιωνεί Fermi level.
2. 2η Ενότητα “Ημιαγωγικές διατάξεις και στοιχεία”.
   Βασικές τεχνικές της μικροηλεκτρονικής και των τεχνικών υλοποίησης ηλεκτρονικών στοιχείων και κυκλωμάτων, όπως: Τεχνικές εμπλουτισμού, θερμικές διεργασίες, εναπόθεση, η φωτολιθογραφία και η εγχάραξη. Παραδείγματα υλοποίησης πραγματικών δομών διόδου, BJT, MOSFET. Υλοποίηση αντιστάσεων και πυκνωτών σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Διαγράμματα ενεργειακών ζωνών στις διατάξεις, η επαφή pn, εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, καμπύλη ρεύματος-τάσης και ανορθωτική συμπεριφορά. Ειδικές δίοδοι: Zener, Schottky, Varactor, Tunel. Λειτουργία LED, φωτοδιόδου. Φυσική δομή και συμπεριφορά του τρανζίστορ διπολικής επαφής (BJT) τα ρεύματα στο διπολικό τρανζίστορ, χαρακτηριστικές εισόδου και εξόδου, φαινόμενο Early, περιοχές λειτουργίας. Παρασιτικές χωρητικότητες στο διπολικό τρανζίστορ. Φυσική δομή και συμπεριφορά του MOSFET, Χαρακτηριστικές εισόδου και εξόδου, περιοχές λειτουργίας. Απόκριση σε μεταβαλλόμενο σήμα: Χωρητικότητα στις περιοχές συσσώρευσης, απογύμνωσης, αντιστροφής. Θέματα διαστάσεων, ταχύτητας και κατασκευής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

 

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ

Γραπτή τελική εξέταση επί του θεωρητικού μέρους του μαθήματος που περιλαμβάνει:
– Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής
– Ερωτήσεις με σκοπό την ανάπτυξη θεωρητικών ζητημάτων
– Επίλυση αριθμητικών προβλημάτων επί δεδομένων κυκλωμάτων τα οποία αφορούν ημιαγωγικές διατάξεις

 

ΣΥΝΙΣΤΩΜΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

1. Αρχές ηλεκτρονικών υλικών και διατάξεων, Sofa O. Kasap, Εκδόσεις Παπασωτηρίου.
2. Ηλεκτρονικά Υλικά, Ευάγγελος Χριστοφόρου, Εκδόσεις ΣΕΑΒ, ΚΑΛΛΙΠΟΣ
3. Φυσική Ημιαγωγών, Τριμπέρης Γιώργος, Εκδόσεις Liberal Books
4. ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ,: Singh Jasprit, Εκδόσεις Τζιόλας
5. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ, Donald Neame, Εκδόσεις Φούντας
6. ΕΠΙΤΟΜΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ, ΟΙΚΟΝΟΜΟΥ ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΣ Ν., Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης
7. ΦΥΣΙΚΗ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ, ΤΟΜΟΣ ΙΙ, ΟΙΚΟΝΟΜΟΥ ΕΛΕΥΘΕΡΙΟΣ Ν., Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης