čeština

5

Písemnou a ústní zkouškou se ověřuje, že absolvent předmětu je schopen:

- vysvětlit fyzikální podstatu polovodičů a strmého přechodu PN;
- vyjmenovat hlavní parametry přechodu PN a jejich vlastnosti;
- vysvětlit průrazy přechodu PN;
- popsat princip přechodu kov-polovodič a Schottkyho jev;
- vyjmenovat fyzikální mechanismy transportu elektrického náboje přes přechod kov-polovodič;
- popsat rozdíly mezi přechodem PN a přechodem kov-polovodič;
- vyjmenovat druhy heteropřechodů;
- vysvětlit rozdíly mezi strmým a gradovaným heteropřechodem;
- vyjmenovat fyzikální mechanismy transportu elektrického náboje přes přechod;
- vysvětlit pojmy mřížkově přizpůsobený a mřížkově nepřizpůsobený heteropřechod, koherentně rostlou vrstvu a kritickou tloušťku vrstvy;
- vysvětlit princip bipolárního tranzistoru;
- popsat složky emitorového, kolektorového a bázového proudu;
- vysvětlit parametry BT v aktivním normálním režimu (injekční účinnost emitoru, činitel přenosu minoritních nosičů bází, proudový zesilovací činitel SB, proudový zesilovací činitel SE;
- popsat činnost BT v režimu vysoké injekce;
- popsat a nakreslit typickou strukturu BT s heteropřechodem EB;
- vysvětlit pojmy: gradovaná báze a kvazielektrické pole u heterotranzistorů;
- popsat rozdíly mezi strmým a gradovaným heteropřechodem;
- nakreslit a popsat strukturu MIS
- vyjmenovat podmínky pro ideální strukturu MIS
- nakreslit pásový diagram MIS struktury a vysvětlit pojmy: Fermiho potenciál, intrinsický potenciál, objemový potenciál, povrchový potenciál;
- popsat vlastnosti oxidové vrstvy struktury MIS
- nakreslit a popsat strukturu MOSFET
- vysvětlit význam a princip aproximací: „gradual-channel aproximation“ a „chargé-sheet approximation“;
- nakreslit a popsat řez strukturou MOSFET v režimech: lineární, přechod do saturace, saturace;
- vysvětlit podmínky kdy se hovoří o tranzistoru s krátkým a dlouhým kanálem, vysvětlit pojem délka kanálu;
- vysvětlit pojmy: objemový jev (body effect), koeficient objemového jevu, podprahový režim tranzistoru;
- popsat fyzikální jevy, které se objevují u tranzistoru s krátkým kanálem;
- nakreslit a popsat rozdíly mezi strukturou tranzistoru s krátkým a dlouhým kanálem;
- vysvětlit princip modelu sdílení náboje (charge sparing model a jeho význam při snižování prahového napětí u tranzistoru s krátkým kanálem;
- vysvětlit co znamená snížení potenciálové bariéry vlivem napětí VDS („drain-induced barrier lowering“, DIBL) a jak tento model vysvětluje snížení prahového napětí u tranzistoru s krátkým kanálem;
- vysvětlit pojem horké elektrony a popsat jevy, které tyto elektrony vyvolávají;
- popsat princip tranzistoru s feromagnetickým hradlem.

Na laboratorních cvičeních se studenti naučí a formou praktického testu se ověřuje schopnost:
- vyhodnotit a graficky zpracovat data měření VA charakteristiky diody;
- numericky a graficky vyjádřit z VA charakteristiky parametry diody s přechodem PN: saturační proud, emisní koeficienty pro difúzní i generačně-rekombinační složku proudu a sériový odpor diody;
- numericky a graficky vyjádřit z VA charakteristiky parametry diody s přechodem kov-polovodič: Richardsonovu konstantu A*, emisní koeficient m a výšku potenciálové bariéry ΦB;
- graficky a numericky řešit obvody s bipolárním tranzistorem v zapojení SE
- graficky a numericky řešit obvody s tranzistorem MOSFET

Z oblasti aplikované matematiky by měl být student schopen:
- aplikovat znalosti učiva střední průmyslové školy (řešení rovnic o jedné a dvou neznámých, řešení kvadratické rovnice);
- aplikovat a vysvětlit základní principy integrálního a diferenciálního počtu funkce jedné proměnné (grafické a numerické vyjádření derivace funkce).

Z odborné oblasti by měl být student schopen:
Student, který si zapíše předmět, by měl být schopen:
- vysvětlit základní fyzikální a elektronické principy mající vztah k aktivním mikroelektronickým součástkám a obvodům (Ohmův zákon, VA charakteristiky diod a základních typů tranzistorů, zapojení zesilovače signálu a spínání zátěže promocí tranzistoru);
- analyzovat jednoduché elektronické obvody s pasivními součástkami a tranzistory.

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.

Studenti jsou hodnoceni v tomto rozložení:

10 bodů - práce ve cvičení
20 bodů - půlsemestrální test znalostí ze cvičení a přednášek
70 bodů - kombinace písemné a ústní zkoušky

Detailní podmínky pro úspěšné ukončení předmětu stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

1. POLOVODIČE: Pásové diagramy kovu, polovodiče a izolantu. Fermi-Diracova rozdělovací funkce. Disperzní relace, přímá a nepřímá pásová struktura polovodiče. Závislost koncentrace volných elektronů v polovodiči na teplotě (1. a 2. ionizační teplota).

2. POLOVODIČE: Polovodič nedegenerovaný, slabě degenerovaný a degenerovaný. Graf závislosti rezistivity polovodiče na koncentraci donorů a akceptorů. Difúzní transport, kvazibalistický a balistický transport. Generace a rekombinace páru elektron, díra (přímá, nepřímá, zářivá, nezářivá). Rovnice kontinuity pro elektrony v diferenciálním a integrálním tvaru.

3. Přechod PN: Kontaktní napětí přechodu PN (vznik, závislost). Průběh elektrostatického potenciálu, intenzity elektrického pole, energiových hladin na strmém přechodu. Definujte rovnovážný stav přechodu PN. Vlastnosti ideálního přechodu PN. Saturační proud.

4. Přechod PN: Vliv generace a rekombinace na reálnou AV charakteristiku přechodu. Emisní koeficient (faktor neideálnosti). Slabá a vysoká injekce nosičů na přechodu PN. Sériový odpor diody. Vznik a princip lavinového průrazu (koeficienty nárazové ionizace). Bariérová a difúzní kapacita přechodu.

5. Přechod kov - polovodič: Definujte pojmy - výstupní práce elektronu z polovodiče, elektronová afinita, výstupní práce elektronu kovu. Pásový diagram usměrňujícího kontaktu kov-polovodič typu n před vznikem a po vytvoření kontaktu. Na čem závisí kontaktní napětí přechodu.

6. Přechod kov - polovodič: Závislost bariérové kapacity Schottkyho přechodu na přiloženém napětí. Princip Schottkyho jevu. Fyzikální mechanismy transportu elektrického náboje přes Schottkyho kontakt.

7. Schottkyho dioda: Struktura Schottkyho diody, pásový diagram, popis částí struktury. Rozdíly mezi Schottkyho a PN diodami. Realizace ohmických kontaktů k polovodiči.

8. Heteropřechody: Heteropřechod anizotypový, izotypový, mřížkově přizpůsobený, mřížkově nepřizpůsobený. Závislost kontaktního napětí heteropřechodu. Strmý heteropřechod N-AlGaAs / p-GaAs (nákres, popis veličin). Gradovaný heteropřechod. Fyzikální mechanismy transportu elektrického náboje přes heteropřechod. Mřížkově nepřizpůsobený heteropřechod, koherentně rostlá vrstva, kritická tloušťka vrstvy.

9. Bipolární tranzistory: Princip činnosti. Základní požadavky na strukturu BT. Pásové diagramy npn tranzistoru ve všech režimech. Popis složek emitorového, kolektrového proudu a proudu báze. Definice zbytkového proudu tranzistoru. Definice parametrů BT v aktivním normálním režimu - injekční účinnost emitoru, činitel přenosu minoritních nosičů bází, proudový zesilovací činitel SB, proudový zesilovací činitel SE.

10. Bipolární tranzistory: Modulace elektronické šířky báze, Earlyho jev. Proč při vysokého koncentraci donorů (akceptorů) dochází ke zúžení šířky zakázaného pásu? Vliv vysoké koncentrace donorů v emitoru na zesilovací činitel Beta (tranz. NPN). Podmínky vysoké injekce - jaké jevy se objevují? Co je kvazisaturace. Pronikání báze do kolektoru.

11. BT s heteropřechody: Vliv větší šířky zakázaného pásu v emitoru na vlastnosti Npn tranzistoru. Gradovaná báze a kvazielektrické pole u heterotranzistorů. Rozdíl mezi strmým a gradovaným heteropřechodem EB. Náčrt typické struktury heteropřechodového tranzistoru s heteropřechodem EB.

12. BT s heteropřechody: Pásový diagram heteropřechodového tranzistoru Npn se strmým heteropřechodem, gradovaným heteropřechodem a s gradovaným heteropřechodem a gradovanou bází. Typické jevy pozorujeme na výstupních charakteristikách heterotranzistoru.

13. Struktura MIS: Ideální struktura MIS. Fermiho potenciál, intrinsický potenciál

Podrobné studium struktur a vlastností mikroelektronických prvků, jejich fyzikálních a obvodových modelů.
Podrobné studium modelů součástek, jejich parametrů a použitelnosti.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

26 hod., povinná

1. Pásové diagramy polovodičových struktur, koncentrace nosičů náboje.
2. Určení parametrů polovodičové diody z voltampérových charakteristik.
3. Polovodičová dioda ve funkci analogového spínače.
4. Bariérová kapacita diody a její využití.
5. Určení parametrů Schottkyho diod z voltampérových charakteristik.
6. Určení parametrů diod z charakteristik kapacita-napětí.
7. Struktury diod v integrovaných obvodech.
8. Studium struktur a parametrů bipolárního tranzistoru.
9. Kontrolní písemná práce.
10. Studium struktur a parametrů tranzistoru MOSFET.
11. Analogové aplikace tranzistoru MOSFET: analogový spínač, aktivní zátěž.
12. Digitální aplikace tranzistoru MOSFET: hradlo CMOS.
13. Vlastnosti a parametry elektroluminiscenčních diod.