Halbleiterphysik
Semiconductor Physics

Modul PH2155

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2017/8 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
WS 2017/8WS 2016/7WS 2015/6WS 2012/3

Basisdaten

PH2155 ist ein Semestermodul in Deutsch oder Englisch auf Master-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
300 h 110 h 10 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2155 ist Martin Stutzmann.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

This module provides an introduction to the structural, electronic and optical properties of modern semiconductor materials and their associated nanostructures. The scientific and economical importance of semiconductor physics as a cross-cutting part of modern solid state physics is briefly outlined. Then, an introduction to the different methods for the fabrication and deposition used for ultrapure semiconductor materials, alloys and mixed crystal "multi-layer" systems will be given. The main body of the lecture deals with material and electronic properties of the most commonly used semiconductors. In particular, the electronic bandstructure and the resulting properties of effective mass electrons, holes and other relevant quasiparticles such as excitons are discussed. Equilibrium charge carrier statistics in intrinsic (undoped) semiconductors are then explored before discussing how doping can be used to controllably modify the electronic properties. This is followed by a discussion of electronic properties of semiconductors under application-related non-equilibrium conditions, such as illumination in solar cells or photo-detectors, or voltage biasing in diodes or transistors. To this end, the basic properties  of semiconductor/semiconductor-, semiconductor/metal-, and semiconductor/insulator-hetero-interfaces will be introduced.

Lernergebnisse

After participation in the Module the student is able to:

  1. Describe the crystal structure and explain the principle fabrication methods for the most prominent semiconductor materials
  2. Explain and calculate the electronic bandstructure of these materials and its dependence on material composition.
  3. Understand the terms "two-dimensional", "one-dimensional" and "zero-dimensional" semiconductor nanostructure and explain the influence of quantum confinement on the electronic properties of semiconductors.
  4. Understand and explain the physics of charge carrier statistics and scattering governing electrical conductivity in bulk semiconductors and low dimensional nanostructures.
  5. Understand and explain the optical properties of semiconductors, in particular optical absorption and recombination of non-equilibrium charge carriers.
  6. Understand and explain the basic properties of semiconductor surfaces and interfaces with device-relevant applications to Schottky diodes, solar cells and heterojunctions in optoelectronivs.

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VO 4 Physics of Semiconductors Stutzmann, M. Di, 12:00–14:00, PH HS3
Mo, 10:00–12:00, PH HS3
sowie einzelne oder verschobene Termine
UE 2 Exercise to Physics of Semiconductors Eckmann, F. Kraut, M. Weiszer, S. Zeidler, A.
Leitung/Koordination: Stutzmann, M.
Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

A written manuscript developped on a tablet PC and projected during the lecture. Additional power point presentations summarizing complicated details and state-of-the-art research results. An additional excercise to obtain a better comprehension of and familiarity with the lecture contents.

Medienformen

Power point and One Note presentation.

Literatur

Standard textbooks of semiconductor physics, e.g.:

·         Fundamentals of Semiconductors, P.Y. Wu, M. Cardona, Springer 2006: Schwerpunkt auf Theorie, hohes Niveau, viel Optik

·         Physics of Semiconductors, Marius Grundmann, Springer 2006: Mehr Anwendungs- und Materialbezug

·         Semiconductor Physics and Applications, M. Balkanski, R.F. Wallis, Oxford University Press 2000:  Gute Übersicht über derzeitigen Stand, inklusive theoretische Konzepte und Bauelemente

·         Halbleiterphysik, R. Sauer, Oldenburg, 2009: derzeit einziges empfehlenswertes deutschsprachiges Lehrbuch

·         Semiconductor Material and Device Characterization, D. K. Schröder, Wiley-IEEE 2006: viele Methoden der Halbleiterphysik

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine schriftliche Klausur von 90 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Die Prüfung kann in Übereinstimmung mit §12 (8) APSO auch mündlich abgehalten werden, in diesem Fall ist der Richtwert für die Prüfungsdauer 30 Minuten.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Beschreiben Sie die Valenzband-Struktur von Silizium um k=0 mittels der tight-binding-Theorie.
  • Wie skalieren die effektiven Massen eines Halbleiters nahe der Bandextrema mit der Bandlücke?
  • Berechnen Sie die Lage des Fermi-Niveaus in undotiertem Silizium bei T=20K und T=400K.
  • Berechnen Sie die Leckstrom-Dichte einer idealen Schottky-Barriere mit 1eV Barrierenhöhe bei einer Rückwärtsspannung von 3V bei T=20K und T=400K

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Aktuell zugeordnete Prüfungstermine

Derzeit sind in TUMonline die folgenden Prüfungstermine angelegt. Bitte beachten Sie neben den oben stehenden allgemeinen Hinweisen auch stets aktuelle Ankündigungen während der Lehrveranstaltungen.

Titel
ZeitOrtInfoAnmeldung
Prüfung zu Halbleiterphysik
Do, 22.2.2018, 13:30 bis 15:00 101
bis 15.1.2018 (Abmeldung bis 15.2.2018)
Mi, 28.3.2018, 13:30 bis 15:00 PH: 2502
bis 19.3.2018 (Abmeldung bis 21.3.2018)

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.