Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

En presentation över ämnet: "Föreläsning 1, Komponentfysik 2014"— Presentationens avskrift:

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

2 Introduction, High Speed Devices 2014
Lite om mig själv Erik Lind Lektor i nanoelektronik vid EIT sedan 2012 Docent i Fasta Tillståndets Fysik Introduction, High Speed Devices 2014

3 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! Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

4 Kurshemsida & Kompendium
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! Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

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

6 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?) Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

7 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? Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

8 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 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

9 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 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

10 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 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

11 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] Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

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

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

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

15 2 minuters övning: skissa e(x) och U(x)
x=d z x e (V/m) x U(0)=0 U (V) x Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

16 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 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

17 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. Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

18 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 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

19 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 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

20 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 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

21 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 Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

22 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. Föreläsning 1, Komponentfysik 2014

23 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) Föreläsning 1, Komponentfysik 2014