Polprevodniška elektronika

Opis predmeta

Vrste in lastnosti polprevodnikov. Električni toki v polprevodniku. Generacije in rekombinacije.

Polprevodniška dioda s pn-spojem: idealna in realna tokovno-napetostna karakteristika, model diode pri krmiljenju z majhnimi signali, prebojna napetost, vzbujanje diode z velikimi signali, stikalne lastnosti diode. Druge diodne zgradbe: tunelska dioda, dioda kovina-polprevodnik (Schottky-jeva dioda), heterospojna dioda. Primeri uporabe diod.

Bipolarni tranzistor: tokovno-napetostne karakteristike, modeli bipolarnega tranzistorja pri majhnih in velikih signalih, visokofrekvenčne lastnosti tranzistorja, tranzistor kot stikalo, primeri uporabe bipolarnih tranzistorjev.

Spojni FET in MOST, tokovno-napetostne karakteristike, modeli unipolarnih tranzistorjev, primeri uporabe unipolarnih tranzistorjev, CMOS-invertor.

Močnostni polprevodniški elementi: pnpn-dioda, diak, tiristor, triak, IGBT.

Fotonski polprevodniški elementi: absorpcija svetlobe, svetleče diode, laserske diode, fotodetektorji: fotoupor, fotodioda, pin-fotodioda, plazovna fotodioda, fototranzistor, sončne celice.

Nanoelektronika in nanotehnologije: osnovne definicije, trendi na področju nanoznanosti, nanoprevodniki, transportne lastnosti polprevodniških nanostruktur, nanoelementi.

Cilji in kompetence

Usvojiti zgradbe, delovanje in lastnosti polprevodniških elektronskih elementov ter na primeru osnovnih povezav elementov prikazati glavne namene uporabe.

Poznavanje polprevodniških elementov je pomembno za razumevanje analogne in digitalne elektronike, močnostne elektronike, optoelektronike, fotonike in razvijajoče se nanoelektronike.

Metode poučevanja in učenja

Na predavanjih so predstavljene teoretične osnove obravnavanih poglavij, na avditornih vajah so prikazane rešitve praktičnih primerov. Praktično delo poteka v okviru laboratorijskih vaj.

Predvideni študijski rezultati

Po uspešno zaključenem predmetu naj bi bili študenti zmožni:

– razložiti energijske razmere in koncentracije prostih nabojev v čistem in dopiranem polprevodniku,

– opisati kontinuiteto koncentracij nosilcev in električne tokove v polprevodniku,

– razložiti fizikalna dogajanja v pn-spoju v termičnem ravnovesju in pri priključeni zunanji napetosti,

– opredeliti tokovno-napetostne in frekvenčne omejitve diode,

– razložiti lastnosti bipolarnega tranzistorja v različnih območjih delovanja,

– oceniti omejitve pri izbiri bipolarnega tranzistorja za različne namene uporabe,

– razložiti delovanje in prednosti unipolarnih tranzistorjev,

– pojasniti delovanje in praktično uporabnost močnostnih polprevodniških elementov,

– opisati osnovne fizikalne mehanizme (absorpcija, spontana in stimulirana emisija) v fotonskih elementih,

– zagovarjati nanoelektroniko kot novo razvojno dobo elektronike.

Reference nosilca

1. SEIF, Johannes Peter, DESCOEUDRES, Antoine, FILIPIČ, Miha, SMOLE, Franc, TOPIČ, Marko, HOLMAN, Zachary Charles, DE WOLF, Stefaan, BALLIF, Christophe. Amorphous silicon oxide window layers for high-efficiency silicon heterojunction solar cells. Journal of applied physics, 2014, vol. 115, no. 2, str. 1-8.

2. FILIPIČ, Miha, HOLMAN, Zachary, SMOLE, Franc, DE WOLF, Stefaan, BALLIF, Christophe, TOPIČ, Marko. Analysis of lateral transport through the inversion layer in amorphous silicon/crystalline silicon heterojunction solar cells. Journal of applied physics, 2013, vol. 114, no. 7, str. 1-7.

3. HOLMAN, Zachary, FILIPIČ, Miha, LIPOVŠEK, Benjamin, DE WOLF, Stefaan, SMOLE, Franc, TOPIČ, Marko, BALLIF, Christophe. Parasitic absorption in the rear reflector of a silicon solar cell: simulation and measurement of the sub-bandgap reflectance for common dielectric/metal reflectors. Solar energy materials and solar cells, [Print ed.], Jan. 2014, vol. 120, part A, str. 426-430.

4. FILIPIČ, Miha, BERGINC, Marko, SMOLE, Franc, TOPIČ, Marko. Analysis of electron recombination in dye-sensitized solar cell. Current applied physics, Jan. 2012, vol. 12, no. 1, str. 238-246.

5. NERAT, Marko, SMOLE, Franc, TOPIČ, Marko. A simulation study of the effect of the diverse valence-band offset and the electronic activity at the grain boundaries on the performance of polycrystalline Cu(In,Ga)Se2 solar cells. Thin Solid Films, [Print ed.], 2011, vol. 519, no. 21, str. 7497-7502.

Temeljni viri in literatura

1. Franc Smole, Polprevodniška elektronika, Založba FE in FRI, Ljubljana, 2017.
2. Smole F., Topič M., Elementi polprevodniške elektronike, Založba FE in FRI, Ljubljana, 2014.
3. Donald A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices, University of New Mexico, McGraw-Hill, 2011.
4. S. M. Sze, Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, Inc., 2006.
5. S. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics, Prentice Hall, Inc., 2013.
6. William A. Goddard, Donald W. Brenner, Sergey Edward Lyshevski, Gerald J. Iafrate, Nanoscience, Engineering, and Technology, CRC Press LLC, 2012.
7. George W. Hanson, Fundamentals of  Nanoelectronics, Pearson Prentice Hall, 2008.