Η Σχολή | Προσωπικό | Σπουδές | Έρευνα | εκτύπωση

Τίτλος Μαθήματος

Ηλεκρονικά Υλικά (7.2.30.8)

Εξάμηνο Διδασκαλίας

Κατ' Επιλογή Υποχρεωτικό Μάθημα Κατεύθυνσης Επιστήμης & Τεχνολογίας Υλικών: 8ου Εξαμήνου

Ωριαίο Πρόγραμμα

Ώρες Διδασκαλίας Ώρες Ασκήσεων
Εργαστηριακές Φροντιστηριακές
2 2 -

Ωρολόγιο Πρόγραμμα

Παράδοση:
Παρασκευή 09.45 - 11.30, κτήριο Μηχ. Μεταλλείων - Μεταλλουργών, αίθουσα 2.04

Ασκήσεις:
Παρασκευή 11.45 - 13.30, κτήριο Μηχ. Μεταλλείων - Μεταλλουργών, εργαστήριο Μεταλλογνωσίας

Διδάσκοντες

Πράδοση, Εργαστηριακές Ασκήσεις:

Ευάγγελος Βασίλειος Χριστοφόρου , Καθηγητής
Διδακτικό και Ερευνητικό Προσωπικό (Δ.Ε.Π)
Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων-Μεταλλουργών , Τομέας Μεταλλουργίας και Τεχνολογίας Υλικών
2 Όροφος , Γραφείο 2.9
Τηλ. +30 210 772 2178
e-mail: ehATmetal.ntua.gr

Συμμετοχή στις εργαστηριακές ασκήσεις

Αικατερίνη Θωμά, ΕΙΔΙΠ
Βαρούτη Ειρήνη, Υπ. Διδάκτωρ
Βουρνά Πολυξένη, Υπ. Διδάκτωρ
Γιαννούλη Χριστίνα, Υπ. Διδάκτωρ
Ιωακειμίδης Ευάγγελος, Υπ. Διδάκτωρ
Κοσσυβάκης Δημήτριος, Υπ. Διδάκτωρ
Ρίζος Ευάγγελος, Υπ. Διδάκτωρ

 

Βιβλία Διδασκαλίας

  • Διδακτικές Σημειώσεις στο Μάθημα «Ηλεκτρονικά Υλικά», Ευάγγελος Χριστοφόρου, Εκδόσεις Ε.Μ.Π., 2001

Επιπρόσθετη Βιβλιογραφία

  • D. Jiles, ‘Introduction to the electronic properties of materials’, Chapman & Hall, 1993
  • C. Kittel, ‘Introduction to solid state physics’, 7th edition, John Wiley & Sons, 1996
  • Σ. Τραχανάς, ‘Κβαντομηχανική’, Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης, 1991
  • S.M. Sze, ‘Physics of semiconductor devices’, 2nd edition, John Wiley & Sons, 1981
  • S. Chikazumi, ‘Physics of magnetism’, Krieger Publ. Co., 1978
  • C.M. Hurd, ‘Electrons in metals’, John Wiley & Sons, 1975
  • Ι.Ν. Αβαριτσιώτης, ‘Σημειώσεις μικροηλεκτρονικής’, εκδόσεις Ε.Μ.Π., 1999

Σύντομη περιγραφή της ύλης

Με τον όρο ηλεκτρονικά υλικά εννοούνται όλα εκείνα τα υλικά τα οποία στηρίζουν τις μακροσκοπικές τους ιδιότητες στην συμπεριφορά των ηλεκτρονίων που βρίσκονται κοντά στην ζώνη Fermi και τα οποία βρίσκουν εφαρμογές στην ηλεκτρονική βιομηχανία. Τα ηλεκτρονικά υλικά χωρίζονται στις εξής πέντε βασικές ομάδες:

  • Αγώγιμα Υλικά
  • Ημιαγώγιμα Υλικά
  • Διηλεκτρικά Υλικά
  • Μαγνητικά Υλικά
  • Υπεραγώγιμα Υλικά

Η παρουσίαση αυτών των υλικών δεν μπορεί να γίνει με επιτυχία, αν δεν έχουμε το υπόβαθρο της γνώσης που απαιτείται, για τη συμπεριφορά του μικρόκοσμου. Μόνο αν γνωρίζουμε το πώς και το γιατί είναι δομημένα τα ηλεκτρόνια γύρω από τα άτομα και τα υλικά, θα μπορέσουμε να καταλάβουμε τις ηλεκτρονικές ιδιότητες και τις εφαρμογές τους αλλά και να σχεδιάσουμε νέα υλικά και συστήματα.

Οι παραδόσεις ξεκινούν εισαγωγικά με την μελέτη της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στο στερεό σύμφωνα με τη κλασσική θεωρία, δίνονται τα επιτεύγματα αυτής της ανάλυσης αλλά, κυρίως, και τα όριά της. Έτσι, θα γίνουν υποχρεωτικά οι αναγκαίες κβαντικές διορθώσεις στη θεωρία μας για να εξηγήσουμε τις αποτυχίες του κλασσικού μοντέλου, έχοντας σαν εργαλείο τους νόμους της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής.

Αφού έχουμε αναλύσει την συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στα υλικά, θα προχωρήσουμε στην μελέτη της ηλεκτρονικής δομής των πέντε βασικών κατηγοριών ηλεκτρονικών υλικών: των αγώγιμων, ημιαγώγιμων, διηλεκτρικών, μαγνητικών και υπεραγώγιμων υλικών. Γνωρίζοντας την συμπεριφορά αυτών των υλικών, θα μελετηθούν οι ιδιότητές τους (ηλεκτρικές, θερμικές, οπτικές, μηχανικές και μαγνητικές) και η εξάρτησή τους από διάφορες παραμέτρους όπως θερμοκρασία, μηχανικές τάσεις, ηλεκτρικό & μαγνητικό πεδίο, ακτινοβολία κλπ. Αυτή η μελέτη θα βοηθήσει στην ταξινόμηση των φυσικών φαινομένων που διέπουν τα υλικά αυτά.

Στην συνέχεια θα μελετηθούν οι τεχνικές παρασκευής των ηλεκτρονικών υλικών. Κατ' αρχήν θα αναλυθούν οι τεχνολογίες παρασκευής μητρικών υλικών, λεπτών και παχέων υμενίων, ταχέως ψυχόμενων υλικών, νανοσωματιδίων και συνθετικών υλικών. Κατόπιν θα μελετηθούν οι τεχνικές κατεργασίας των υλικών αυτών (τεχνικές θερμικής κατεργασίας, οξείδωσης και νόθευσης). Στην συνέχεια θα παρουσιασθούν οι τεχνικές λιθογραφίας, χάραξης και πακεταρίσματος διατάξεων ηλεκτρονικών υλικών. Σε αυτή την διδακτική περιοχή θα αναλυθούν επίσης οι τεχνικές προσδιορισμού των μακροσκοπικών ιδιοτήτων καθώς επίσης και οι τεχνικές χαρακτηρισμού δομής και μικροδομής.

Στην Τρίτη τελευταία διδακτική περιοχή θα παρουσιασθούν οι βασικές κατηγορίες των τεχνολογικών εφαρμογών των ηλεκτρονικών υλικών. Συγκεκριμένα θα παρουσιασθούν οι βασικές οικογένειες ηλεκτρονικών αισθητήρων και μορφομετατροπέων, οι τεχνικές εγγραφής και ανάγνωσης πληροφορίας, η ηλεκτρονική τεχνολογία, οι ενεργειακοί αποταμιευτές και τα ηλεκτρομηχανικά συστήματα.

Έτσι, οι διδακτικές σημειώσεις έχουν ως εξής:

Εισαγωγή: Ανασκόπηση των αρχών της δομής της ύλης. Η ηλεκτρονική δομή

Μέρος Α. Τα ηλεκτρονικά υλικά

Μέρος Β. Τεχνολογία ηλεκτρονικών υλικών

Μέρος Γ. Εφαρμογές ηλεκτρονικών υλικών.

Επίλογος: Τα ηλεκτρονικά υλικά στην χώρα και τον κόσμο

Τέλος, η βιβλιογραφία που παρατίθεται θα βοηθήσει στη κατεύθυνση της συμπληρωματικής και εξειδικευμένης γνώσης, εκεί που απαιτείται.

Στο εργαστηριακό μέρος του μαθήματος, γίνεται η προσπάθεια σύνδεσης της θεωρίας και της πρακτικής. Έτσι, πραγματοποιούνται οι παρακάτω εργαστηριακές ασκήσεις, η κάθε μια από τις οποίες εκπονείται σε χρονική διάρκεια τριών δίωρων:

  1. Παρασκευή μητρικών κραμάτων, λεπτών υμενίων και ταχέως ψυχόμενων υλικών σε μεταλλική μορφή. Χαρακτηρισμός ηλεκτρικών και μαγνητικών ιδιοτήτων. Θερμική, ηλεκτρική και μαγνητική κατεργασία καθώς επίσης και επαναχαρακτηρισμός. Εξαγωγή και αιτιολόγηση συμπερασμάτων.
  2. Παρασκευή ημιαγώγιμων και διηλεκτρικών λεπτών υμενίων και δισκίων. Χαρακτηρισμός ηλεκτρικών και οπτικών ιδιοτήτων. Νόθευση, λιθογραφία, χάραξη και θερμική κατεργασία καθώς επίσης και επαναχαρακτηρισμός. Εξαγωγή και αιτιολόγηση συμπερασμάτων.
  3. Παρασκευή υπεραγώγιμων δισκίων. Χαρακτηρισμός ηλεκτρικών και μαγνητικών ιδιοτήτων. Θερμική κατεργασία καθώς επίσης και επαναχαρακτηρισμός. Εξαγωγή και αιτιολόγηση συμπερασμάτων.
  4. Ανάπτυξη ηλεκτρονικών αισθητήρων μετατόπισης, μηχανικής τάσης και μαγνητικού πεδίου. Χαρακτηρισμός των αισθητήρων, παραμετρικός έλεγχος και κρίσιμα συμπεράσματα για την παραγωγή τέτοιων αισθητήρων.
  5. Μελέτη διατάξεων ηλεκτρονικής τεχνολογίας, ήτοι διόδων και γεφυρών διόδων, τρανζίστορ διπολικής επαφής και MOSFET. Ανάπτυξη τροφοδοτικού και ενισχυτή τάσης με λειτουργικούς ενισχυτές.

    Εργασία: Πειραματική εφαρμογή και γραπτή παρουσίαση εφαρμογής.

Βαθμολογία

Η παρακολούθηση τόσο των παραδόσεων, όσο και των εργαστηριακών ασκήσεων είναι σημαντική για την κατανόηση του μαθήματος. Η τελική βαθμολογία προκύπτει βάση των παρακάτω: 

Παρουσία στις εργαστηριακές ασκήσεις: 10%
Μέσο όρο βαθμολογίας εργαστηριακών παραδοτέων: 20%
Βαθμολογία τελικών εξετάσεων: 70%

Πρόγραμμα Παραδόσεων

Εβδομάδα

Κεφάλαιο

Ανασκόπηση των αρχών της δομής της ύλης

Εισαγωγή στην ηλεκτρονική δομή

Τα αγώγιμα υλικά

Τα ημιαγώγιμα υλικά

Τα διηλεκτρικά υλικά

Τα μαγνητικά υλικά

Τα υπεραγώγιμα υλικά

Τεχνικές παρασκευής ηλεκτρονικών υλικών

Τεχνικές κατεργασίας ηλεκτρονικών υλικών

10η

Λιθογραφία - Χάραξη - Πακετάρισμα

11η

Τεχνικές προσδιορισμού Mακροσκοπικών ιδιοτήτων

12η

Τεχνικές προσδιορισμού Δομής - Μικροδομής

13η

Αισθητήρες και μορφομετατροπείς

14η

Συστήματα εγγραφής και ανάγνωσης πληροφορίας

15η

Ηλεκτρονική τεχνολογία

16η

Ενεργειακοί αποταμιευτές

17η

Ηλεκτρομηχανικά συστήματα

 

Παρουσίαση τεχνικών παρασκευής και χαρακτηρισμού ηλεκτρονικών υλικών στο Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών του ΕΚΕΦΕ "Δημόκριτος" 

 

Παρουσίαση τεχνικών κατεργασίας, λιθογραφίας - χάραξης - πακεταρίσματος στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του ΕΚΕΦΕ "Δημόκριτος"

 

Παρουσίαση γραμμής παραγωγής και μεταποίησης μαγνητικών υλικών
(Landis & Gyrr)

 

Παρουσίαση γραμμής παραγωγής ημιαγώγιμων υλικών
(Theon Sensors SA)

Λεπτομερές Πρόγραμμα Παραδόσεων

  1. Εισαγωγή Ι: Ανασκόπηση των αρχών της δομής της ύλης
    1. Τα ηλεκτρόνια στα άτομα
    2. Τα άτομα στο στερεό
    3. Ηλεκτρόνια αγωγιμότητας: κλασσική προσέγγιση
  2. Εισαγωγή Ι: Η ηλεκτρονική δομή
    1. Ηλεκτρόνια αγωγιμότητας: Κβαντικές διορθώσεις
    2. Ηλεκτρόνια δεσμού και περιοδικό δυναμικό
    3. Ενεργειακές ζώνες
  3. Τα αγώγιμα υλικά
    1. Τα ηλεκτρόνια στα μέταλλα
    2. Φαινόμενα στους αγωγούς
    3. Οικογένειες αγώγιμων υλικών
  4. Τα ημιαγώγιμα υλικά
    1. Φυσική ημιαγωγών
    2. Φαινόμενα ημιαγωγών
    3. Οικογένειες ημιαγώγιμων υλικών
  5. Τα διηλεκτρικά υλικά
    1. Φυσική και ιδιότητες διηλεκτρικών
    2. Φαινόμενα στα διηλεκτρικά
    3. Οικογένειες διηλεκτρικών υλικών
  6. Τα μαγνητικά υλικά
    1. Δια-παρα-φερρο-μαγνητισμός
    2. Φαινόμενα στα μαγνητικά υλικά
    3. Οικογένειες μαγνητικών υλικών
  7. Τα υπεραγώγιμα υλικά
    1. Φυσική υπεραγωγών
    2. Φαινόμενα στους υπεραγωγούς
    3. Οικογένειες υπεραγωγών
  8. Παρασκευή ηλεκτρονικών υλικών
    1. Παρασκευή μητρικών υλικών
    2. Παρασκευή λεπτών υμενίων
    3. Παρασκευή ταχέως ψυχόμενων υλικών
  9. Κατεργασία ηλεκτρονικών υλικών
    1. Οξείδωση
    2. Νόθευση
    3. Ανόπτηση και διάχυση
  10. Ολοκληρωμένες διατάξεις
    1. Λιθογραφία και χάραξη
    2. Διασυνδέσεις
    3. Πακετάρισμα
  11. Προσδιορισμός μακροσκοπικών ιδιοτήτων
    1. Ηλεκτρικές, μαγνητικές και οπτικές ιδιότητες
    2. Θερμικές και μηχανικές ιδιότητες
    3. Παραμετρικός έλεγχος ιδιοτήτων
  12. Χαρακτηρισμός δομής - μικροδομής
    1. Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας και ύλης
    2. Αλληλεπίδραση ηλεκτρονίων και ύλης
    3. Αλληλεπίδραση σωματιδίων-ιόντων και ύλης
  13. Αισθητήρες και μορφομετατροπείς
    1. Οικογένειες αισθητήρων
    2. Εφαρμογές αισθητήρων
    3. Σχεδίαση και χαρακτηρισμός αισθητήρων
  14. Εγγραφή και ανάγνωση πληροφορίας
    1. Ηλεκτρονικές μνήμες
    2. Αποθήκευση πληροφορίας
    3. Υλικά και τεχνικές
  15. Ηλεκτρονική τεχνολογία
    1. Ημιαγώγιμες ηλεκτρονικές διατάξεις
    2. Ολοκληρωμένα κυκλώματα
    3. Εφαρμογές ηλεκτρονικής τεχνολογίας
  16. Ενεργειακοί αποταμιευτές
    1. Κλασσικές διατάξεις - μπαταρίες
    2. Νέες διατάξεις στερεού τύπου
    3. Κυψέλες καυσίμου
  17. Ηλεκτρομηχανικά συστήματα
    1. Οικογένειες ηλεκτρομηχανικών συστημάτων
    2. Εφαρμογές ηλεκτρομηχανικών συστημάτων
    3. Υλικά ηλεκτρομηχανικών συστημάτων