Vorlesungen

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Die Vorlesung Halbleiterbauelemente vermittelt die Grundlagen für alle weiteren Vorlesungen am LEB. Die Vorlesung wird sowohl im Wintersemester als auch im Sommersemester angeboten. Empfohlene Voraussetzungen: keine

Lernziele

Die Studierenden besitzen die Kenntnis und das Verständnis der Halbleitergrundlagen, sowie die Kenntnis über wichtige Bauelementtypen und deren Bauelementphysik.

Inhalt

Das Modul Halbleiterbauelemente vermittelt den Studierenden die physikalischen Grundlagen moderner Halbleiterbauelemente. Der erste Teil der Vorlesung befasst sich nach einer Einleitung in die moderne Halbleitertechnik und Halbleitertechnologie mit der Behandlung von Ladungsträgern in Metallen und Halbleitern; und es werden die wesentlichen elektronischen Eigenschaften der Festkörper zusammengefasst. Darauf aufbauend werden im Hauptteil der Vorlesung die Grundelemente aller Halbleiterbauelemente – pn-Übergang, Schottky-Kontakt und MOS-Varaktor – detailliert dargestellt. Damit werden dann zum Abschluss die beiden wichtigsten Transistorkonzepte – der Bipolartransistor und der MOS-gesteuerte Feldeffekttransistor (MOSFET) – ausführlich behandelt. Ein Ausblick, der die gesamte Welt der halbleiterbasierten Bauelemente für Logik- & Hochfrequenzanwendungen, Speicher- und leistungselektronischen Anwendungen beleuchtet, runden die Vorlesung ab.

Umfang

2 SWS Vorlesung, 2 SWS Übung (5 ECTS)

Dozenten

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze
Übung: Jan Dick (M. Sc.)

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Die Vorlesung wird im Bachelorstudiengang Nanotechnologie angeboten. Es werden grundlegende Eigenschaften von Ladungsträgern in Halbleitern sowie die Funktionsweise von Dioden und Feldeffekttransistoren besprochen. Ein Überblick über die wesentlichen Prozessschritte zur Herstellung von Halbleiterbauelementen runden die Vorlesung ab. Die Vorlesung wird jeweils im Sommersemester angeboten. Empfohlene Voraussetzungen: keine

Lernziele

Die Studierenden verstehen grundlegende physikalische Vorgänge (u.a. Drift, Diffusion, Generation, Rekombination) im Halbleiter, interpretieren Informationen aus Bänderdiagrammen, beschreiben die Funktionsweisen moderner Halbleiterbauelemente und berechnen Kenngrößen der wichtigsten Bauelemente. Sie diskutieren das Verhalten der Bauelemente, z.B. bei hohen Spannungen oder erhöhter Temperatur.

Inhalt

• Ladungsträgerkonzentrationen im intrinsischen (undotierten) und dotierten Halbleiter
• Transporteigenschaften (Drift, Diffusion) von Ladungsträgern im Halbleiter
• Funktionsweise von Halbleiterbauelementen (Dioden, Feldeffekttransistoren)
• Überblick über die wichtigsten Prozessschritte zur Herstellung von Halbleiterbauelementen

Umfang

2 SWS Vorlesung mit Übung (2,5 ECTS)

Dozent

Vorlesung mit Übung: Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z.B. in Halbleiterbauelemente oder Nano IV: Halbleiter vermittelt werden. Die Vorlesung wird jeweils im Sommersemester angeboten.

Lernziele

Die Studierenden besitzen die Kenntnis und das Verständnis der mathematisch-physikalischen Grundlagen der Bauelement-Modellierung, kennen die ideale und die reale Funktionsweise und den Aufbau diverser Halbleiterdioden und haben ein umfassendes Verständnis vom Aufbau und vom idealen/ realen Verhalten eines Bipolar- und eines Heterobipolartransistors. Darüber hinaus kennen sie die prinzipielle Funktionsweise von Thyristoren und haben erste Grundkenntnisse von der Funktionsweise von Leistungsbipolartransistoren mit isoliertem Gate und von BiCMOS-Schaltungen (BiCMOS: Schaltungstechnik, bei der Bipolar- und Feldeffekttransistoren miteinander kombiniert werden). Außerdem kennen sie die prinzipiellen Herstellungsprozessabläufe moderner Bipolar- und BiCMOS-Prozesse.

Inhalt

• Beschreibung eines psn-Übergangs im thermodynamischen Gleichgewicht (Raumladungszonen, Poisson-Gleichung, Depletion-Näherung und Built-in-Spannung),
• Beschreibung eines psn-Übergangs im Nicht-Gleichgewicht (I-U-Charakterisitik des idealen pn-Übergangs, Rekombinationsmechanismen in pn-Übergängen, I-U-Charakterisitik des realen pn-Übergangs, Durchbruchmechanismen in pn-Übergängen),
• Dioden-Spezialformen: Schottky-Diode und Ohmscher Kontakt, Z-Dioden (Zener-Diode und Avalanche-Diode), IMPATT-Diode (Impact-Ionization-Avalanche-Transit-Time-Diode), Gunn-Diode, Uni-Tunneldiode, Esaki-Tunneldiode, Shockley-Diode, DIAC (Diode for Alternating Current),
• Aufbau und Funktionsweise von Bipolar- und Heterobiplartransistoren: Ideales und reales Verhalten und Hochfrequenzbetrieb,
• Thyristor und lichtgezündeter Thyristor, TRIAC (Triode for Alternating Current).

Als Ausblick wird zum Schluss der Vorlesung auf Leistungsbipolartransistoren mit isoliertem Gate wie dem Gate-Turn-Off-Thyristor (GTO-Thyristor) und dem Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)und auf BiCMOS-Schaltungen eingegangen.

Umfang

2 SWS Vorlesung, 2 SWS Übung (5 ECTS)

Dozenten

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze
Übung: Jannik Schwarberg (M. Sc.)

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z.B. in Halbleiterbauelemente vermittelt werden sowie Kenntnisse aus Halbleitertechnik I – Bipolartechnik (HL I). Die Vorlesung wird jeweils im Wintersemester angeboten.

Lernziele

Die Studierenden besitzen die Kenntnis und das Verständnis des Aufbaus und des Verhaltens eines idealen und eines realen Langkanal-MOSFETs und haben ein umfassendes Verständnis von den sogenannten Kurzkanaleffekten in Kurzkanal-MOSFETs bzw. in Nano-MOSFETs. Darüber hinaus kennen sie technologische Strategien zur Minimierung der Kurzkanaleffekte und kennen die prinzipiellen Herstellungsprozessabläufe moderner CMOS-Prozesse. Außerdem besitzen die Studierenden die Kenntnis und das Verständnis des ITRS-Konzeptes der Halbleiterindustrie und der Notwendigkeit einer „Post-CMOS-Ära“.

Inhalt

• Dimensionierung eines Langkanal-MOSFETs
• Ideales und reales Verhalten eines Langkanal-MOSFETs
• Mooresches Gesetz unf ITRS-Roadmap
• Skalierung eines MOSFETs und Kurzkanaleffekte: Vom Langkanal- zum Kurzkanal-MOSFET
• Strategien zur Minimierung von Kurzkanal-Effekten
• Moderne CMOS-Prozesse

Umfang

2 SWS Vorlesung, 2 SWS Übung (5 ECTS)

Dozenten

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze
Übung: Dr.-Ing. Tobias Dirnecker (Akad. ORat)

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z.B. in Halbleiterbauelemente vermittelt werden. Von Vorteil sind Kenntnisse aus Halbleitertechnik I – Bipolartechnik sowie Halbleitertechnik II – CMOS-Technik. Die Vorlesung wird jeweils im Wintersemester angeboten.

Lernziele

Die Studierenden erklären den Aufbau und die Funktion sowie die elektrischen Eigenschaften gängiger Leistungshalbleiterbauelemente und vergleichen Leistungshalbleiterbauelemente auf „Wide-Bandgap“-Materialien (SiC, GaN). Sie klassifizieren Leistungsbauelemente hinsichtlich statischer und dynamischer Verluste und Belastungsgrenzen und diskutieren die Möglickeiten und Grenzen gängiger Leistungshalbleiterbauelemente. Die Studierenden unterscheiden Integrationskonzepte für Leistungshalbleiterbauelemente in integrierten Schaltungen.

Inhalt

Nach einer Einführung in die Anwendungsgebiete, die Historie von Leistungshalbleiterbauelementen und die relevante Halbleiterphysik, werden die heute für kommerzielle Anwendungen relevanten Ausführungsformen von monolithisch integrierten Leistungsbauelemente besprochen. Zunächst werden Bipolarleistungsdioden und Schottkydioden als gleichrichtende Bauelemente vorgestellt. Anschließend werden der Aufbau und die Funktion von Bipolartransistoren, Thyristoren, unipolaren Leistungstransistoren (MOSFETs) und IGBTs erörtert. Dabei wird neben statischen Kenngrößen auch auf Schaltvorgänge und Schaltverluste eingegangen sowie die physikalischen Grenzen dieser Bauelemente diskutiert. Nach einer Vorstellung von in Logikschaltungen integrierter Leistungsbauelemente (Smart-Power ICs) erfolgt abschließend die Diskussion von neuartigen Bauelementkonzepten auf Siliciumkarbid und Galliumnitrid, welche immer stärker an Bedeutung gewinnen.

Umfang

2 SWS Vorlesung, 2 SWS Übung (5 ECTS)

Dozenten

Vorlesung: Dr.-Ing. Michael Jank
Übung: Julian Schwarz (M. Sc.)

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z.B. in Halbleiterbauelemente oder Nano IV: Halbleiter vermittelt werden. Von Vorteil sind Kenntnisse aus Halbleitertechnik I – Bipolartechnik sowie Halbleitertechnik II – CMOS-Technik. Die Vorlesung wird jeweils im Sommersemester angeboten.

Lernziele

Die Studierenden erklären den Aufbau und die Funktionsweise nanoelektronischer Bauelemente und beschreiben die Herstellungsmethoden für nanoelektrnoische Bauelemente. Sie analysieren die prinzipiellen Probleme, die sich für Bauelemente im Nanometerbereich ergeben und diskutieren unterschiedliche Lösungsansätze für zukünftige Bauelemente. Die Studierenden bewerten Vor- und Nachteile sowie Grenzen aktueller Trends und Entwicklungen auf dem Gebiet nanoelektronischer Bauelemente.

Inhalt

• Skalierung von MOS-Transistoren
• Neue Architekturen und Materialien für Nano-MOS-Bauelemente
• Erzeugung kleinster Strukturen
• Bauelemente der nichtflüchtigen Datenspeicherung
• Bauelemente mit einzelnen Elektronen
• Prinzipielle Grenzen

Umfang

2 SWS Vorlesung mit Übung (2,5 ECTS)

Dozent

Vorlesung mit Übung: Dr.-Ing. Michael Jank

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z.B. in Halbleiterbauelemente vermittelt werden. Von Vorteil sind Kenntnisse aus Halbleitertechnik I – Bipolartechnik sowie Halbleitertechnik II – CMOS-Technik. Die Vorlesung wird jeweils im Sommersemester angeboten.

Lernziele

Die Studierenden erklären physikalische und elektrische Halbleiter- und Bauelementemess- und Analysemethoden, vergleichen die Vor- und Nachteile sowie die Grenzen der verschiedenen Verfahren und analysieren, welches Verfahren für welche Fragestellung geeignete ist. Sie bewerten die mit den unterschiedlichen Verfahren erzielten Messergebnisse.

Inhalt

Im Modul Halbleiter- und Bauelementemesstechnik werden die wichtigsten Messverfahren, die zur Charakterisierung von Halbleitern und von Halbleiterbauelementen benötigt werden, behandelt. Zunächst wird die Messtechnik zur Charakterisierung von Widerständen, Dioden, Bipolartransistoren, MOS-Kondensatoren und MOS-Transistoren behandelt. Dabei werden die physikalischen Grundlagen der jeweiligen Bauelemente kurz wiederholt. Im Bereich Halbleitermesstechnik bildet die Messung von Dotierungs- und Fremdatomkonzentrationen sowie die Messung geometrischer Dimensionen (Schichtdicken, Linienbreiten) den Schwerpunkt.

Umfang

3 SWS Vorlesung, 1 SWS Übung (5 ECTS)

Dozent

Vorlesung und Übung: Dr.-Ing. Sven Berberich

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z.B. in Halbleiterbauelemente oder Nano IV: Halbleiter vermittelt werden. Von Vorteil sind Kenntnisse aus Halbleitertechnik I – Bipolartechnik sowie Halbleitertechnik II – CMOS-Technik. Die Vorlesung wird jeweils im Wintersemester angeboten.

Lernziele

Lernende können evidenzbasierte, qualitative und quantitative Urteile zu Sachverhalten anhand von Kriterien anstellen, d.h. technologische Ansätze miteinander vergleichen, Handlungsempfehlungen erstellen und begründen, sowie Lösungsszenarien entwerfen. Lernende können Herangehensweisen zur Vereinfachung komplexer Probleme anwenden, zielorientierte Technologieoptimierung bei gegenseitigen Abhängigkeiten (Kompromissfindung) durchführen sowie Größen und Kerneigenschaften von Technologien erfassen.

Inhalt

• Einführung -Vergleich Elektroniktechnologien, Anwendungen für großflächige und flexible Elektronik
• Bauelementekonzepte der Dünnschichtelektronik
• Materialien und Prozessierung
• Mechanische und elektronische Integration
• Anwendungen

Umfang

2 SWS Vorlesung (2,5 ECTS)

Dozent

Vorlesung: Dr.-Ing. Michael Jank

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Die Vorlesung stellt den geeigneten Einstieg in den Vorlesungszyklus Halbleitertechnologie dar und behandelt alle wesentlichen Prozessschritte zur Herstellung von Halbleiterbauelementen. Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z.B. in Halbleiterbauelemente oder Nano IV: Halbleiter vermittelt werden. Die Vorlesung wird jeweils im Wintersemester angeboten.

Lernziele

Die Studierenden haben das Verständnis über die Bedeutung der Silizium-basierten Halbleitertechnologie für den weltweiten Elektronikmarkt, kennen und verstehen die technologischen Grundlagen einer jeden Halbleitertechnologie. Darüber hinaus kennen sie die State-of-the-Art-Prozesse zur Substrat- und Waferherstellung, zur Dotierung von Halbleiterschichten und zur Strukturierung (Lithografiemethoden und nass- und trockenchemisches Ätzen) von Halbleiter-, Isolator- und Metallschichten. Sie kennen die wichtigsten Isolatormaterialien und metallischen Materialien der Silizium-basierten Halbleitertechnologie und gewinnen einen ersten Einblick in die Aufbau- und Verbindungstechnik zur Herstellung komplexer elektronischer Bauteile. Die Studierenden werden in die Lage versetzt, Herstellungsprozesse für die Herstellung beliebiger Halbleiterbauelemente aufzustellen bzw. gegebene Herstellungsprozesse zu analysieren, zu erklären und ggf. zu verbessern.

Inhalt

• Einführung in die Silizium-basierte Halbleitertechnologie
• Technologische Grundlagen (Prozessparameter und grundlegende Technologieprozesse)
• Substrat- und Waferherstellung (CZ-Waver, FZ-Wafer und Silicon-On-Insulator-Wafer)
• Lithographie (optische Lithographie und alternative Verfahren) und Strukturierungsmethoden (nasschemisch, trockenchemisch und physikalisch-chemisch)
• Dotiermethoden: Epitaxie, Diffusion und Ionenimplantation
• Herstellung und Strukturierung von Isolatorschichten (Standardielektrika, Low-k-, Medium-k- und high-k-Dielektrika) und Planarisierungsmethoden
• Herstellung und Strukturierung metallischer Schichten

Als Ausblick wird zum Schluss der Vorlesung auf die Aufbau- und Verbindungstechnik eingegangen und exemplarische Herstellungsprozesse unterschiedlicher mikroelektronischer Bauelemente werden diskutiert.

Umfang

3 SWS Vorlesung, 1 SWS Übung (5 ECTS)

Dozenten

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze
Übung: Jannik Schwarberg (M. Sc.)

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Der vorige Besuch der Vorlesung Halbleitertechnologie I – Technologie Integrierter Schaltungen wird empfohlen. Die Vorlesung wird jeweils im Sommersemester angeboten.

Lernziele

Die Studierenden gewinnen einen Überblick der Methoden der Geräte-, Prozess- und Bauelementesimulation (Modelle, Algorithmen, Anwendung), lernen anhand der Prozess- und Bauelementesimulation die Bedeutung und Anwendung der Simulation in den Ingenieurwissenschaften im Allgemeinen kennen und haben damit eine gute Grundlage zur schnellen Einarbeitung als qualifizierter Anwender oder zum Einstieg in die Forschung zur Simulation.

Inhalt

In der Halbleitertechnologie wird eine Vielzahl von Prozessschritten zur Herstellung der Bauelemente verwendet. Aufgabe der Prozesssimulation ist die Voraussage vor allem der Geometrien und Dotierungsverteilungen dieser Bauelemente, woraus dann mithilfe der Bauelementesimulation die elektrischen Eigenschaften abgeleitet werden können. Insgesamt dient die Simulation dem besseren Verständnis der Prozesse und Bauelemente sowie der Reduktion der Entwicklungszeiten und –kosten.

In dieser Vorlesung werden die zur Beschreibung der einzelnen Prozessschritte verwendeten physikalischen Modelle dargestellt, wobei sowohl auf die historische Entwicklung als auch auf den aktuellsten Stand der Forschung eingegangen wird. Zur Auswertung dieser Modelle in ein- und mehrdimensionalen Simulationsprogrammen benötigte Algorithmen werden zusammengefasst. Anhand von Anwendungsbeispielen werden spezielle technologische Effekte und ihre simulationsmäßige Beschreibung diskutiert. Des Weiteren werden die Grundlagen der Bauelementesimulation dargestellt. Hierbei wird sowohl auf die gängigen Verfahren zur Simulation des Ladungsträgertransports sowie auf die wichtigsten Modelle für die grundlegenden Halbleitereigenschaften eingegangen. Die Vorlesung schließt mit einer Bestandsaufnahme der in der Industrie verbreitetsten Simulationsprogramme sowie einem Ausblick auf die weitere Entwicklung des Gebiets sowie seiner Anwendungen.

Umfang

2 SWS Vorlesung, 1 SWS Übung (optional) (2,5 ECTS)

Dozent

Vorlesung: Dr.-Ing. Jürgen Lorenz

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Der vorige Besuch der Vorlesung Halbleiterbauelemente wird empfohlen. Die Vorlesung wird jeweils im Sommersemester in ungeraden Jahren angeboten.

Lernziele

Die Studierenden verstehen statistische Grundlagen von Zuverlässigkeitsbetrachtungen, erklären physikalische Ausfallmechanismen in integrierten Schaltungen und wenden grundlegende Konzepte der Fehleranalyse an. Sie ermitteln Gründe warum Bauelemente ausfallen sowie die Relevanz von Zuverlässigkeitsproblemen für den Entwurf und sind in der Lage, Einflussfaktoren für die Ausfälle von ICs zu bewerten und Gegenmaßnahmen zu beurteilen.

Inhalt

Neben einer Einführung in die mathematische Beschreibung von Zuverlässigeitsbetrachtungen werden im Rahmen des Moduls relevante Ausfallmechanismen von elektronischen Bauelementen und eine Übersicht über die Fehleranalyse an ausgefallenen Bauelementen diskutiert. Insbesondere werden Ausfälle und Fehlerbilder durch elektrische Überbelastung, Schäden in Dielektrika und Strahlenschäden, sowie Fehler in der Metallisierung, Kontaktierung und Verkapselung behandelt.

Umfang

2 SWS Vorlesung, 2 SWS Übung (5 ECTS)

Dozenten

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze
Übung: Nadja Kölbel (M. Sc.)

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Grundlagen der Optik und Elektrotechnik werden als Voraussetzung empfohlen. Die Vorlesung wird jeweils im Sommersemester angeboten. Das Modul wird in englischer Sprache angeboten.

Lernziele

The goals of this lecture are

understand the principles of optical projection lithography

learn how optical resolution enhancements work

get an overview on alternative lithographic techniques

get an introduction to lithography simulation

understand the role of nanoscale light scattering effects

Inhalt

Semiconductor lithography covers the process of pattern transfer from a mask/layout to a photosensitive layer on the surface of a wafer. It is one of the most critical steps in the fabrication of microelectronic circuits. The majority of semiconductor chips are fabricated by optical projection lithography. Other lithographic techniques are used to fabricate lithographic masks or new optical and mechanical devices on the micro- or nanometer scale. Innovations such as the introduction of optical proximity correction OPC), phase shift masks (PSM), special illumination techniques, chemical amplified resist (CAR) materials, immersion techniques have pushed the smallest feature sizes, which are produced by optical projection techniques, from several wavelengths in the early 80ties to less than a quarter of a wavelength nowadays. This course reviews different types of optical lithographies and compares them to other methods. The advantages, disadvantages, and limitations of lithographic methods are discussed from different perspectives. Important components of lithographic systems, such as masks, projection systems, and photoresist will be described in detail. Physical and chemical effects such as the light diffraction from small features on advanced photomasks, image formation in high numerical aperture systems, and coupled kinetic/diffusion processes in modern chemical amplified resists will be analysed. The course includes an in-depth introduction to lithography simulation which is used to devise and optimize modern lithographic processes.

Umfang

2 SWS Vorlesung, 2 SWS Übung (5 ECTS)

Dozent

Vorlesung und Übung: PD Dr. rer. nat. Andreas Erdmann

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z. B. in Halbleiterbauelemente (HBE) vermittelt werden sowie Kenntnisse aus Halbleitertechnik I – Bipolartechnik (HL I). Das Modul wird u. a. als Vertiefungsmodul der Studienrichtung Mikroelektronik (EEI) angeboten. Die Vorlesung wird jeweils im Wintersemester angeboten.

Lernziele

• Die Studierenden besitzen die Kenntnis und das Verständnis der zeit(un)abhängigen Schrödinger-Gleichung und der Interpretation der Wellenfunktion eines massebehafteten Teilchens als Lösung der Schrödinger-Gleichung. Darauf aufbauend, können sie die Bandstruktur von Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren über die Tight-Binding Methode, in der die Eigenfunktionen von Graphen als Bloch-Funktionen dargestellt werden können, berechnen.
• Darüber hinaus besitzen sie eine vertiefte Kenntnis und ein vertieftes Verständnis des quantenmechanischen Tunneleffektes.
• Sie kennen Tunneleffekte in klassischen Halbleiterbauelementen und kennen und verstehen quantenmechanische Bauelemente, die gezielt auf dem Tunneleffekt beruhen.
• Damit besitzen sie die Fähigkeit, neue Tunnelbauelemente zu entwerfen und zu dimensionieren.

Inhalt

• Die Schrödinger-Gleichung und einfache Potentialprobleme (eindimensionaler endlich und unendlich tiefer Potentialtopf, eindimensionale Potentialbarriere)
• Technologische Realisierung von Potentialbarrieren
• Der Tunneleffekt, Quanteneffekte in klassischen Halbleiterbauelementen und die Esaki-Tunneldiode und
• Tunneleffekt-basierte Schalter und Speicher (resonante Tunneldioden, Einzelelektronentransistoren, Flash-EEPROM, Tunnel-Feldeffekttransistoren)
• Elektronentransport in Kohlenstoff-basierten Nanomaterialien (Buckminster Fullerene, Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen) und darauf aufbauende Nanoelektronik

Umfang

2 SWS Vorlesung, 2 SWS Übung (5 ECTS)

Dozenten

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze
Übung: Fabian Magerl (M. Sc.)

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z. B. in Halbleiterbauelemente (HBE) vermittelt werden sowie Kenntnisse aus Halbleitertechnik I – Bipolartechnik (HL I). Kenntnisse, wie sie in Quantenelektronik I – Tunnelbauelemente (QE I) vermittelt werden, sind hilfreich, aber nicht zwingend erforderlich. Das Modul wird u. a. als Vertiefungsmodul der Studienrichtung Mikroelektronik (EEI) angeboten. Die Vorlesung wird jeweils im Sommersemester angeboten.

Lernziele

• Die Studierenden vertiefen ihre Kenntnis und ihr Verständnis der zeit(un)abhängigen Schrödinger-Gleichung und der Interpretation der Wellenfunktion eines massebehafteten Teilchens als Lösung der Schrödinger-Gleichung. Darauf aufbauend, können sie die zur Pauli-Gleichung erweiterte Schrödinger-Gleichung zur Berücksichtigung des Spins lösen.
• Darüber hinaus besitzen sie eine vertiefte Kenntnis und ein vertieftes Verständnis des Spins von Elektronen und sind mit den magnetischen Eigenschaften von Festkörpern und ihren Ursachen vertraut.
• Sie kennen und verstehen den Aufbau und die prinzipielle Funktionsweise quantenmechanischer Bauelemente, die auf ferromagnetischen Materialeigenschaften beruhen und kennen technologische Möglichkeiten zur Spinmanipulation, -injektion, -extraktion und -detektion.
• Darüber hinaus haben sie Kenntnis und Verständnis von der Darstellung und Verarbeitung von Qubits, der technologischen Realisierung von Qubits, kennen das RSA-Verschlüsselungsverfahren und können es anwenden und kennen den Shor-Algorithmus.

Inhalt

• Magnetische Eigenschaften in Festkörpern
• Atommodelle (Bohrsches Atommodell, Bohr-Sommerfeldsches Atommodell, Lösung des Wasserstoffproblems mit Hilfe der Schrödinger-Gleichung)
• Stern-Gerlach-Experiment, Elektronen- und Kernspin, Spinmanipulation und Elektronenfallen
• Magnetowiderstandseffekte (GMR, TMR), Spin-Transfer-Torque und darauf basierende Bauelementkonzepte, „All Spin Logic“
• Pauli-Matrizen, Weiterentwicklung der Schrödinger-Gleichung zur Pauli-Gleichung, Spinor-Wellenfunktionen und das Verschränken („Entanglement“) von Quantenzuständen
• Qubits, Q-Gatter und Q-Algorithmen (u. a. Shor-Algorithmus)
• Über den Zufall: RNG und die Emulation von Q-Algorithmen auf von-Neumann-Architekturen
• Qubit-Technologien: Photonische Qubits, Kernspin-basierte Qubits, Eektronenspin-basierte Qubits, supraleitende Qubits, Farbzentren-basierte Qubits, Ionen-basierte Qubits

Umfang

2 SWS Vorlesung, 2 SWS Übung (5 ECTS)

Dozenten

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze
Übung: Anne-Marie Lang (M. Sc.)

Einordnung und empfohlene Voraussetzungen

Empfohlen werden Kenntnisse wie sie z. B. in Halbleiterbauelemente (HBE) vermittelt werden sowie Kenntnisse aus Halbleitertechnik I – Bipolartechnik (HL I). Kenntnisse, wie sie in Quantenelektronik I – Tunnelbauelemente (QE I) und Quantenelektronik II – Spintronik und „Quantum Computation“ (QE II) vermittelt werden, sind hilfreich, aber nicht zwingend erforderlich. Die Vorlesung wird alle zwei Jahre (gerade Jahre) im Sommersemester angeboten.

Lernziele

• Die Studierenden vertiefen ihre Kenntnis und ihr Verständnis der zeit(un)abhängigen Schrödinger-Gleichung und der Interpretation der Wellenfunktion eines massebehafteten Teilchens als Lösung der Schrödinger-Gleichung. Darauf aufbauend, können sie das Verhalten der Valenzelektronen in kristallinen Festköpern mit Hilfe des Kronig-Penney-Modells beschreiben und die zugehörige Bandstruktur unter Zuhilfenahme des Blochschen Theorems berechnen.
• Darüber hinaus besitzen sie eine vertiefte Kenntnis und ein vertieftes Verständnis der Beweglichkeit von Ladungsträgern in Festkörpern und der sie beeinflussenden Größen.
• Sie kennen und verstehen den Aufbau und die prinzipielle Funktionsweise quantenmechanischer Bauelemente, die Quantengrabenstrukturen funktionalisieren.
• Damit besitzen sie die Fähigkeit, neue Quantengrabenbauelemente zu entwerfen und zu dimensionieren.

Inhalt

• Die Schrödinger-Gleichung und die Lösung von Potenzialproblemen in drei Raumdimensionen und erweiterte Potenzialprobleme (harmonischer Oszillator und Übergitter)
• Technologische Realisierung von Quantentöpfen und Quantengräben
• Die Beschreibung der Beweglichkeit von Ladungsträgern in Festkörpern
• Auf Quantengräben basierende Schalter (MOSFETs, MODFETs und HEMTs)
• Auf Quantengräben basierende Detektoren und Lichtemitter (Edge-Emitting LASER, VCSEL, Quantenkaskadenlaser)

Umfang

2 SWS Vorlesung, 2 SWS Übung (5 ECTS)

Dozenten

Vorlesung: Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Schulze
Übung: Fabian Magerl (M. Sc.)