Detail předmětu

Elektrotechnické materiály a výrobní procesy I

FEKT-BPC-EMV1Ak. rok: 2027/2028

Předmět Elektrotechnické materiály a výrobní procesy I (EMV1) navazuje na předmět Materiály pro elektrotechniku, který poskytuje základní přehled o vlastnostech a funkci magnetických, vodivých a izolačních materiálů. Cílem navazujícího kurzu je tyto znalosti dále prohloubit a rozšířit o systematické porozumění tomu, jak se materiálové veličiny mění v reálných provozních podmínkách – zejména v závislosti na teplotě, frekvenci a intenzitě elektrického či magnetického pole. Studenti se naučí fyzikálně interpretovat tyto změny, pochopí přirozené limity používaných funkčních materiálů. Dále studenti získají přehled o materiálových a technologických přístupech umožňujících cílenou optimalizaci jejich vlastností a rozšiřování aplikačního potenciálu. 


V oblasti výrobních technologií se studenti seznámí se základními principy výroby a zpracování materiálů používaných v elektrotechnice. Pozornost je věnována výrobě skla a keramiky, zpracování polymerních materiálů i přípravě vodivých materiálů pro technické aplikace. Probírány jsou procesy tavení a úpravy skloviny, slinování a řízené krystalizace keramik, glazování, polymerační reakce, vulkanizace i technologické postupy výroby plastů, včetně materiálů s vysokou teplotní odolností a vysokodielektrických keramik.


V oblasti fyziky polovodičů je výuka rozšířením předchozích poznatků o rovnici kontinuity pro popis chování polovodičů v termodynamické nerovnováze a elektrostatické řešení PN přechodu. Součástí je také popis struktur MIS a MS přechodu. V oblasti polovodičových technologií jsou detailně rozebrány postupy přípravy základních materiálů a navazující výrobní procesy pro realizaci elektronických součástek, zejména epitaxe, difuze, iontová implantace, litografie a leptání, včetně jejich vlivu na výsledné elektrické parametry struktur.


Předmět je vyučován s důrazem na srozumitelné vysvětlení fyzikální podstaty jevů, systematické budování vazeb mezi strukturou materiálu, jeho vlastnostmi a technologickým zpracováním a na aktivní zapojení studentů. Cílem je, aby absolvent získal nejen pevný teoretický základ, ale i praktické dovednosti a analytické myšlení potřebné pro další studium i pro uplatnění v oblasti moderních materiálů a elektrotechnologických procesů.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

4

Garant předmětu

Ing. Ladislav Chladil, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav elektrotechnologie (UETE)

Vstupní znalosti

Předpokládají se znalosti z předmětu BPC-MPE - Materiály pro elektrotechniku
Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby poučené“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů

Účast na laboratorních cvičeních je povinná. Podmínkou udělení zápočtu je účast studenta na cvičeních, vypracování laboratorních úloh a získání minimálně 12 bodů z půlsemestrálních testů. Za soubor pěti zpracovaných laboratorních úloh lze získat maximálně 20 bodů. Půlsemestrální testy se uskuteční v 9. týdnu a ve 13. týdnu semestru. Závěrečná zkouška je ústní a lze za ni získat maximálně 60 bodů.

Učební cíle

Cílem předmětu je poskytnout studentům hlubší porozumění fyzikální podstatě vlastností funkčních materiálů používaných při výrobě elektrických a elektronických zařízení a seznámit je s principy jejich technologického zpracování. Důraz je kladen na propojení teoretického výkladu, numerické analýzy a experimentální práce v laboratoři.

Po absolvování předmětu student:

  • rozumí fyzikálním principům určujícím chování dielektrických, vodivých, odporových, magnetických a polovodičových materiálů, včetně jejich odezvy na změny teploty, frekvence a intenzity pole.

  • dokáže kvalifikovaně zvolit vhodný elektrotechnický materiál s ohledem na konkrétní aplikační podmínky.

  • orientuje se ve struktuře, klasifikaci a fyzikálním popisu polovodičových materiálů, včetně jevů v termodynamické nerovnováze a základních polovodičových struktur.

  • chápe principy klíčových výrobních technologií, jako jsou slinování keramik, tavení a úprava skla, polymerační procesy, vulkanizace, difuze, iontová implantace, epitaxe či litografie.

  • je schopen experimentálně charakterizovat základní materiálové vlastnosti, zejména dielektrické parametry, nelinearitu, transportní vlastnosti a teplotní závislosti, a samostatně pracovat s odpovídající měřicí technikou.

  • dokáže využívat numerické simulace při popisu komplexní permitivity, pásových struktur polovodičů, nebo při vytváření dotačních profilů při difuzi a iontové implantaci.

Základní literatura

Jirák J., Rozsívalová Z.: Elektrotechnické materiály a výrobní procesy - laboratorní cvičení. Elektronická skripta 2003 (CS)
Kazelle J. a kol.: Elektrotechnické materiály a výrobní procesy. Elektronická skripta 2015 (CS)

Doporučená literatura

Bouda, V., Hampl. J., Lipták,J.: Materials for electrotechnics. Vydavatelství ČVUT, Praha, 2000, 207 s. ISBN 80-01-02233-1. (CS)
Šavel J.: Materiály a technologie v elektronice a elektrotechnice. BEN - technická literatura Praha 1999 (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BPC-MET bakalářský 2 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ladislav Chladil, Ph.D.

Osnova

1. Úvod do elektrotechnických materiálů: stavba molekul, typy vazeb. Skupiny elektrotechnicky význačných materiálů. Dielektrika a izolanty: fyzikální podstata a rozdělení dielektrik.
2. Polarizace a permitivita, komplexní permitivita. Elektrická vodivost a konduktivita dielektrických materiálů. Dielektrické ztráty a ztrátový činitel. Dielektrika v silných elektrických polích.
3. Anorganická dielektrika: struktura a rozdělení. Azbest, slída a slídové výrobky. Sklo v elektrotechnice. Pravidla tvorby skel. Elektrické vlastnosti skel. Druhy skel.
4. Výroba a zpracování skla. Speciální skla. Elektrotechnická keramika. Silikátová keramika. Výroba a zpracování keramiky. Oxidová a bezkyslíkatá keramika.
5. Makromolekulární látky – vnitřní struktura, morfologie. Klasifikace plastů. Plasty pro elektrotechniku. Termoplasty. Reaktoplasty.
6. Plasty se zvýšenou tepelnou odolností. Elastomery. Výroba plastů. Úpravy plastů a plastikářské technologie.
7. Vodivé a odporové materiály. Kovové a oxidové supravodiče. Kovové materiály pro speciální aplikace. Konstrukční materiály. Tváření kovů. Výroba drátů a fólií.
8. Magnetické materiály – fyzikální podstata magnetismu, struktura a magnetické ztráty. Ferro- a ferri- magnetické materiály, Výroba magnetických materiálů.
9. Polovodičové materiály: fyzikální popis, klasifikace. Termodynamická rovnováha. Termodynamická nerovnováha. Rovnice kontinuity.
10. Kinetika rekombinačního procesu. Generace, rekombinace a doba života nosičů. Elektrostatické řešení PN přechodu.
11. Ideální V-A charakteristika PN přechodu. C-V charakteristika MOS struktury. Kontakt kov-polovodič.
12. Výroba základních polovodičových materiálů. Příprava waferu. Epitaxní růst. Metody dotování polovodičových materiálů.
13. Technologické kroky výroby polovodičových struktur: oxidace, litografie, leptání, metalizace.

Laboratorní cvičení

21 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ladislav Chladil, Ph.D.

Osnova

1. Modelování složek komplexní permitivity
2. Havriliakův - Negamiho diagram
3. a) Měření dielektrických vlastností keramického titaničitanu barnatého
b) Určení součinitele nelinearity keramického titaničitanu barnatého
4. Měření teplotní závislosti rezistivity polovodičového materiálu
5. Měření driftové pohyblivosti minoritních nosičů proudu impulsní metodou
6. Počítačové vytváření pásových modelů polovodičových materiálů adsf