Föreläsning 1, Komponentfysik 2014 Introduktion Kursöversikt Hålltider --- Ellära: Elektriska fält, potentialer och strömmar 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Introduction, High Speed Devices 2014 Lite om mig själv Erik Lind (Erik.Lind@eit.lth.se) Lektor i nanoelektronik vid EIT sedan 2012 Docent i Fasta Tillståndets Fysik 2018-11-17 Introduction, High Speed Devices 2014

2 laborationer med rapporter Förberedelseuppgifter inför varje lab! Kursöversikt 142 h föreläsningar 5+1 2 h övningar 2 laborationer med rapporter Förberedelseuppgifter inför varje lab! 2 inlämningsuppgifter Deadlines: 28/3 och 9/5 Skriftlig tentamen 26/5 8-13 Formelsamling,Beteckningslista, Räknare, TeFyMa 10-12, E:1406 – Se schema! Två grupper Börjar 7/4. Anmäl er via hemsidan – kommer snart! OBS! Laborationsrapporter OBS! Inlämning senast: En vecka efter labben Godkända senast: 13 juni! 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Kurshemsida & Kompendium www.ftf.lth.se/courses/ess030 Uppdateras löpande med all information! Finns att ladda ner: Föreläsningsslides (kommer efterhand) Kursprogram Övningsuppgifter + Lösningar 2  Inlämningsuppgifter (kommer efterhand) 2  Labhandledningar Ex-tentor med lösningar Kompendium av Anders Gustafsson Laddas ner / Delas ut i pausen! 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Föreläsning 1, Komponentfysik 2014 Lokaler för labbarna Mitt kontor: E2321 Laborationer i H 200 Exakt plats på hemsidan! 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Föreläsning 1, Komponentfysik 2014 Vad är en halvledare Hur kan vi styra hur elektroner rör sig i en halvledare Hur fungerar en diod/solcell/lysdiod Hur fungerar en Bipolär Transistor Hur fungerar en MOSFET? Vad sätter hastigheten för en transistor? Varför går en CPU i ~5 GHz (och inte 5 MHz eller 5 THz?) 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Varför Komponentfysik II Lysdiod Omvandlar elektrisk energi till ljus Hur fungerar en lysdiod? Hur får man olika färger? Hur fungerar en halvledarlaser? Solceller Omvandlar ljus till elektrisk energi Hur fungerar en solcell? Varför har en normal solcell bara ~20% effektivitet? Hur kan man göra den bättre? 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

För att bli godkänd på kursen Beskriva grundläggande begrepp inom halvledarfysiken Förklara hur strömmar och inbyggd spänning uppkommer i en diod Förklara funktionen hos transistorer och dioder Göra enklare beräkningar på strömmar i dioder och transistorer Förklara orsaken till frekvensberoendet hos en transistor Skriva strukturerade labrapporter 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Föreläsningarnas struktur Svårigheter: Många nya begrepp Många nya beteckningar – finns i beteckningslistan Många formler – finns i formelsamlingen Hög nivå av abstraktion Relativt komplexa system Bandstruktur, potential, diffusionsström, Fermienergi, dopning… n, µn, Dn, Dp, ND, NAB, EF, Uth, kT, Ubi, eV, FF…. Föreläsningarna: Få matematiska härledningar Illustrera & förklara begrepp Ge exempel Kursmaterial: Lärobok Föreläsningsslides Övningar Formelsamling, Beteckningslista 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer Minnen: Flash, DRAM Optokomponenter MOSFET: strömmar pn-övergång: strömmar och kapacitanser MOSFET: laddningar pn-övergång: Inbyggd spänning och rymdladdningsområde Dopning: n-och p-typ material Laddningsbärare: Elektroner, hål och ferminivåer Halvledarfysik: bandstruktur och bandgap Ellära: elektriska fält, potentialer och strömmar 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Ellära: Laddningar – E-Fält - Potential Elektrisk Laddning: z(x) [C∙m-3] Nettoladdning Elektriskt Fält: e(x) [V/m] Kraft på en elektron Spänningsskillnad – vad vi mäter med en voltmeter En elektrons potentiella energi Elektrisk Potential: U(x) [V] 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Laddning - Fält - Potential - Energi ---------------- Laddning (z ) -------------------------------------------------------------- --------------- Elektriskt fält (e) ------------- --------------- Elektrisk potential (U) ----------------------------------------------------- 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Illustration: Plattkondensator x=0 x=d x + ε - +Q -Q + - OBS! Förväxla inte ε0 och εr (permittivitet) med ε (elektriskt fält) U 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Illustration: Plattkondensator x=0 x=d z x e (V/m) x U (V) x 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

2 minuters övning: skissa e(x) och U(x) x=d z x e (V/m) x U(0)=0 U (V) x 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Föreläsning 1, Komponentfysik 2014 Elektriska Strömmar Ström: Mängd laddning (DQ) som passerar genom en yta under en viss tid (Dt) - Driftström Elektroner som rör sig i elektriskt fält Ohms Lag Diffusionsström Elektroner som rör sig pga termisk energi 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Föreläsning 1, Komponentfysik 2014 Driftström – Ohms lag e e=UDS/L µn – mobilitet för elektroner (m2/Vs) J =I/A strömtäthet (A/m2) n – koncentration av elektroner (m-3) s=1/r=konduktans (S/m) Ohms lag. Resistorer. Fälteffekttransistorer. Solceller. 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Föreläsning 1, Komponentfysik 2014 Elektriska Strömmar Ström: Mängd laddning (DQ) som passerar genom en yta under en viss tid (Dt) - Driftström Elektroner som rör sig i elektriskt fält Ohms Lag Diffusionsström Elektroner som rör sig pga termisk energi 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Föreläsning 1, Komponentfysik 2014 Diffusionsström Diffusion är en ström av partiklar från en hög koncentration mot en låg koncentration Fysikalisk bakgrund – slumpvis termisk rörelse hos partiklar http://www.ifh.uni-karlsruhe.de/lehre/envflu_i/related_resources/animations.htm 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Diffusionsström – matematiskt uttryck Diffusionsströmmen ges av gradienten av elektronkoncentrationen n(0)=n0 n(L)=nL Om In är konstant – n(x)=ax+b! Kräver inget elektriskt fält n(0) n(L)=nL x 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Föreläsning 1, Komponentfysik 2014 Elektriska Strömmar Ström: Mängd laddning (DQ) som passerar genom en yta under en viss tid (Dt) - Driftström Elektroner som rör sig i elektriskt fält Ohms Lag Diffusionsström Elektroner som rör sig pga termisk energi 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Föreläsning 1, Komponentfysik 2014 Sammanfattning Elektriska laddningar (z) -> ”integrera” -> elektriskt fält (e) -> ”integrera” -> potential Driftström: bestäms av pålagt fält, laddningkoncentration och mobilitet. - Diffusionsström: bestäms av koncentrationsgradienten. 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

Sammanfattning - beteckningar U – potential (V) e– elektriskt fält (V/m) z – elektrisk laddning (koncentration) (C/m3) n: laddningskoncentration - elektroner (m-3) µn: mobilitet (elektroner) (m2/Vs) I: ström (A) J: strömtäthet (A/m2) r=1/s = resistivitet (ohm∙m) Dn: diffusivitet (m2/Vs) k: Boltzmans konstant (1.38×10-23) (J/K) e: elementarladdningen: (1.602×10-19 C) e0: dielektricitetskonstant i vakuum (8.85×10-19 F/m) er: relativ dielektricitetskonstant T: Temperatur (K) 2018-11-17 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014