Drukuj Eksport do pliku (MS Word)
Nazwa przedmiotu:
Metody obliczeniowe w mikroelektronice i fotonice
Koordynator przedmiotu:
Andrzej Pfitzner, Agnieszka Mossakowska-Wyszyńska
Status przedmiotu:
Obowiązkowy
Poziom kształcenia:
Studia II stopnia
Program:
Elektronika
Grupa przedmiotów:
Przedmioty techniczne - zaawansowane
Kod przedmiotu:
MOMF
Semestr nominalny:
3 / rok ak. 2019/2020
Liczba punktów ECTS:
4
Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:
90 Bilans nakładu pracy przeciętnego studenta wygląda następująco: - udział w wykładach: 15 x 2 godz. = 30 godz., - przygotowanie do kolejnych wykładów i realizacji projektu (przejrzenie materiałów z wykładu i dodatkowej literatury, próba rozwiązania miniproblemów sformułowanych na wykładzie): 5 godz. - udział w zajęciach projektowych (z udziałem prowadzącego): 7 x 2 godz. = 14 godz. - realizacja zadań projektowych (praca własna): 26 godz. - przygotowanie do kolokwiach oraz udział w 2 kolokwiach: 10 godz - udział w konsultacjach: 5 godz (zakladamy 2 godz. konsultacji przedkolokwialnych i 3 godz. związanych z zadaniami projektowymi)
Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:
ok. 2 p. ECTS wykład: 30 + zajęcia projektowe: 14 + konsultacje: 5 = 49 godz.
Język prowadzenia zajęć:
polski
Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:
ok. 2 p. ECTS zajęcia projektowe: 14 + Realizacja zadań projektowych: 26 + konsultacje projektowe: 3 = 43 godz.
Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:
  • Wykład30h
  • Ćwiczenia0h
  • Laboratorium0h
  • Projekt15h
  • Lekcje komputerowe0h
Wymagania wstępne:
Wymagana jest znajomość: - podstawowych metod numerycznych (zaliczenie MNM lub podobnego przedmiotu), - podstaw fizycznych ciała stałego (zaliczenie ELCS lub podobnego przedmiotu), - podstaw fizycznych fotoniki (zaliczenie FOT lub podobnego przedmiotu).
Limit liczby studentów:
40
Cel przedmiotu:
- ukształtowanie wśród studentów zrozumienia potrzeby wykorzystywania zaawansowanego opisu matematycznego zjawisk fizycznych i problemów technicznych w obszarze mikroelektroniki i fotoniki - zapoznanie studentów z metodami rozwiązywania układów równań różniczkowych i całkowych reprezentujących zjawiska fizyczne występujące w obiektach mikroelektronicznych i fotonicznych oraz ze sposobami tworzenia modeli tych obiektów - ukształtowanie podstawowych umiejętności w zakresie posługiwania się algorytmami, modelami i symulatorami do realizacji zadań inżynierskich w obszarze mikroelektroniki i fotoniki
Treści kształcenia:
-Opis matematyczny propagacji światła - równania Maxwella, równanie falowe, równanie Helmholtza, fala płaska i jej polaryzacja, sieć odwrotna, twierdzenie Blocha, funkcje Greena, równanie Galerkina, warunki brzegowe oraz warstwa PML, przykłady rozwiązań równań falowych w ośrodkach objętościowych. -Numeryczne metody wyznaczania rozkładu pola elektromagnetycznego w ośrodkach pasywnych i aktywnych – dyskretyzacja i metoda różnic skończonych w przestrzeni położenia i w dziedzinie czasu, komórka Yee, stabilność numeryczna, rozwinięcie metody na problemy nieliniowe; metoda propagacji wiązki BPM: wektorowa i dwukierunkowa; metoda momentów, metoda elementu skończonego, zagadnienia nieliniowe, funkcje Greena. -Analiza propagacji fali elektromagnetycznej w periodycznych pasywnych i aktywnych ośrodkach dielektrycznych – transmisja, odbicie i rozpraszanie fali, metoda macierzy przejścia TMM, metoda macierzy rozpraszania SMM, metoda macierzy translacji w przestrzeni rzeczywistej RSTM. -Metody determinacji pasm wzbronionych w kryształach fotonicznych - metoda różnic skończonych w dziedzinie czasu, metoda fal płaskich PWM, transformata Fouriera, szeregi Fouriera. -Pół-analityczne metody analizy wzmocnienia ośrodków aktywnych – metoda rozdzielenia zmiennych, równania modów sprzężonych, współczynnik małosygnałowego wzmocnienia. -Opis matematyczny transportu nośników i ciepła w półprzewodnikach, równanie kinetyczne Boltzmanna, model dyfuzyjno-dryftowy, model hydrodynamiczny, równanie Fouriera; współczynniki kinetyczne, modele zjawisk nierównowagowych, efekty kwantowe, warunki brzegowe i początkowe. -Numeryczne rozwiązywanie zagadnień transportu nośników ładunku, dyskretyzacja i linearyzacja równań transportu, schemat Cranka-Nicolsona, metoda Newtona-Raphsona, metoda Gummela, przybliżenia początkowe i algorytmy ewolucyjne. -Rozwiązywanie dużych układów równań liniowych – metody sprzężonych gradientów, generacja i adaptacja siatek, metody przyspieszania algorytmów iteracyjnych, obliczenia równoległe. -Efektywne przybliżenia analityczne, metody hybrydowe i wzory empiryczne, modele “kompaktowe” przyrządów dla symulacji obwodowej, ciągłość modeli. -Wybrane zastosowania metody Monte-Carlo, symulacja transportu nośników; symulacja statystyczna, przewidywanie uzysku produkcyjnego, analiza korelacyjna. -Zarys problemów obliczeniowych w komputerowym wspomaganiu projektowania układów scalonych (systemach CAD).
Metody oceny:
Sprawdziany wykładowe, rozwiązywanie zadań na zajęciach projektowych, zadania projektowe do samodzielnego rozwiązania, sprawozdania z realizacji tych zadań, formatywna ocena zadań przedkolokwialnych.
Egzamin:
nie
Literatura:
1. Salah Obayya, Computational Photonics, John Wiley & Sons, Inc. 2011 2. Herbert Baaser, Development and Application of the Finite Element Method based on MatLab, Springer-Verlag 2010 3. Matthew N. O. Sadiku, Numerical techniques in electromagnetics, CRC Press LLC 2001 4. A. Pfitzner, Modelowanie elementów półprzewodnikowych dla statystycznej symulacji układów scalonych VLSI, Prace Naukowe Elektronika z.120, OWPW, 1999 5. D. Potter, Metody obliczeniowe fizyki, PWN Warszawa 1977 6. G.H. Golub and C. F. Van Loan, Matrix Computations, Baltimore: The Johns Hopkins University Press, 2nd ed., 1989. 7. Narsingh Deo, Teoria grafów i jej zastosowania w technice i informatyce, PWN, Warszawa 1980
Witryna www przedmiotu:
www.elka.pw.edu.pl/studia
Uwagi:

Efekty uczenia się

Profil ogólnoakademicki - wiedza

Charakterystyka MOMF_W01
Zna zakres stosowalności matematycznego opisu propagacji światła w różnych ośrodkach oraz transportu nośników ładunku w półprzewodnikach
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W01, K_W03, K_W04, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:
Charakterystyka MOMF_W02
Zna metody macierzowe analizy propagacji fali elektromagnetycznej w pasywnym bądź aktywnym ośrodku dielektrycznym
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W01, K_W03, K_W04, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:
Charakterystyka MOMF_W03
Zna sposoby opisu i analizy pasma wzbronionego w krysztalach fotonicznych
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W01, K_W03, K_W04, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:
Charakterystyka MOMF_W04
Zna podstawowe modele symulacyjne do wyznaczania właściwości elektrycznych przyrządów półprzewodnikowych
Weryfikacja: kolokwium, projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W01, K_W03, K_W04, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:
Charakterystyka MOMF_W05
Ma wiedzę na temat podstawowych problemów obliczeniowych w komputerowym wspomaganiu projektowania układów scalonych
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_W01, K_W03, K_W04, K_W06
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Charakterystyka MOMF_U01
Potrafi wyznaczyć metodami numerycznymi rozkład pola elektromagnetycznego w ośrodkach pasywnych i aktywnych
Weryfikacja: projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U01, K_U08
Powiązane charakterystyki obszarowe:
Charakterystyka MOMF_U02
Potrafi wyznaczyć wzmocnienie ośrodków aktywnych wykorzystując pół-analityczne metody analizy generacji promieniowania
Weryfikacja: projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U01, K_U08, K_U10
Powiązane charakterystyki obszarowe:
Charakterystyka MOMF_U03
Potrafi wyznaczyć rozkłady pola i koncentracji nośnikow w elementach układów scalonych dla róźnych warunków chłodzenia i odziaływań zewnętrznych
Weryfikacja: projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U01, K_U08
Powiązane charakterystyki obszarowe:
Charakterystyka MOMF_U04
Potrafi wyznaczyć charakterystyki elektryczne przyrządów półprzewodnikowych dobierając właściwy model symulacyjny
Weryfikacja: projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U01, K_U08
Powiązane charakterystyki obszarowe:
Charakterystyka MOMF_U05
Potrafi zaprojektować model kompaktowy tranzystora wykorzystując analityczne przybliżenia związków między parametrami
Weryfikacja: projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_U15, K_U08, K_U14
Powiązane charakterystyki obszarowe:

Profil ogólnoakademicki - kompetencje społeczne

Charakterystyka MOMF_K01
potrafi pracować indywidualnie i w zespole
Weryfikacja: projekt
Powiązane charakterystyki kierunkowe: K_K01
Powiązane charakterystyki obszarowe: