Drukuj Eksport do pliku (MS Word)
Nazwa przedmiotu:
Fizyczne podstawy przetwarzania informacji
Koordynator przedmiotu:
Rajmund Kożuszek
Status przedmiotu:
Obowiązkowy
Poziom kształcenia:
Studia I stopnia
Program:
Informatyka
Grupa przedmiotów:
Przedmioty techniczne
Kod przedmiotu:
FPPI
Semestr nominalny:
7 / rok ak. 2021/2022
Liczba punktów ECTS:
4
Liczba godzin pracy studenta związanych z osiągnięciem efektów uczenia się:
1. liczba godzin kontaktowych – 50 godz., w tym - obecność na wykładach: 15 x 2 = 30 godz. - obecność na zajęciach laboratoryjnych: 5 x 3 = 15 godz. - udział w konsultacjach wykładowych: 2 godz. - udział w konsultacjach laboratoryjnych: 3 godz. 2. praca własna studenta – 50 godz., w tym - przygotowanie do kolejnych wykładów (przejrzenie materiałów z wykładu i literatury dodatkowej, próba rozwiązania zadań rachunkowych przekazanych na wykładzie): 15 godz. - przygotowanie do realizacji ćwiczeń laboratoryjnych (przejrzenie materiałów wykładowych i literatury oraz instrukcji do laboratoriów; wstępne przygotowanie formularza sprawozdania): 15 godz. - przygotowanie do kolokwiów (powtórzenie materiału wykładowego, rozwiązanie zadań przedkolokwialnych): 20 godz. Łączny nakład pracy studenta wynosi 100 godz., co odpowiada 4 pkt. ECTS.
Liczba punktów ECTS na zajęciach wymagających bezpośredniego udziału nauczycieli akademickich:
2 pkt. ECTS, co odpowiada 49 godz. kontaktowym
Język prowadzenia zajęć:
polski
Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o charakterze praktycznym:
1 pkt. ECTS co odpowiada 30 godz. realizacji i przygotowania do laboratorium
Formy zajęć i ich wymiar w semestrze:
  • Wykład30h
  • Ćwiczenia0h
  • Laboratorium15h
  • Projekt0h
  • Lekcje komputerowe0h
Wymagania wstępne:
brak
Limit liczby studentów:
100
Cel przedmiotu:
Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z podstawowymi zjawiskami fizycznymi występującymi w ciałach stałych (ze szczególnym uwzględnieniem półprzewodników), z własnościami elektrycznymi i optycznymi tych materiałów oraz z podstawami działania przyrządów półprzewodnikowych w systemach mikro- i nanoelektroniki. Celem laboratorium jest obserwacja zjawisk fizycznych w przyrządach półprzewodnikowych i ich wpływu na charakterystyki oraz parametry elektryczne przyrządów. fotoniki. Zajęcia prowadzone są z wykorzystaniem innowacyjnych i kreatywnych form kształcenia. Występują elementy gaming’u, wspólnej pracy studentów w oparciu o techniki PBL (Project Based Learning) oraz DT (Design Thinking). Jednocześnie studenci korzystają z narzędzi informatycznych umożliwiających kreatywną pracę grupową (np.: budowanie map), przedstawiają prezentacje związane z opanowaną wiedzą.
Treści kształcenia:
WYKŁADY: 1. Klasyfikacja ośrodków i przyrządów przetwarzania, przesyłania i magazynowania informacji. Wprowadzenie do elektroniki ciała stałego. Wymagania stawiane współczesnym przyrządom mikroelektronicznym i optoelektronicznym (rozmiary, napięcie zasilania, częstotliwość pracy, długość fali elektromagnetycznej). Wymagania dla współczesnych materiałów i przyrządów. Ograniczenia fizyczne i techniczne. Nanoelektronika i fotonika jako dziedziny elektroniki najbliższej przyszłości. 2. Postulaty mechaniki kwantowej. Dualizm falowo-korpuskularny, fale de Broglie'a, funkcja falowa, przyrządy z efektami kwantowymi: nanorurki, kropki kwantowe, bramki kwantowe, struktury z grafenem, idea komputera kwantowego. 3. Pasmowy model energetyczny jako narzędzie charakteryzacji ciała stałego. Dynamika elektronu w ciele stałym. Pojęcie i właściwości dziury. Statystyka nośników ładunku elektrycznego w stanie równowagi termodynamicznej. Koncentracje nierównowagowe. Rodzaje i mechanizmy generacji i rekombinacji nośników ładunku. Transport nośników w ciele stałym: prąd unoszenia, prąd dyfuzyjny. Równania charakterystyczne: Maxwella, Poissona, ciągłości. Zakłócenie koncentracji nośników równowagowych w półprzewodniku. 4. Styk metal-półprzewodnik (kontakt omowy, dioda Schottky'ego) oraz złącze p-n. Wstrzykiwanie i ekskluzja nośników, mechanizmy przepływu nośników. Zastosowania: diody prostownicze, stabilizacyjne, pojemnościowe, impulsowe. 5. Tranzystor bipolarny – zasada działania, przykładowe zastosowania: wzmacniacz, inwerter. 6. Przyrządy unipolarne: kondensator MIS, tranzystor MIS. Inwerter CMOS. 7. Pamięci SRAM, DRAM, FLASH. Struktury CCD. LABORATORIA: Program laboratorium obejmuje pięć trzygodzinnych ćwiczeń dotyczących zagadnień: 1. Zjawiska termoelektryczne i fotoelektryczne w półprzewodnikach. 2. Transport nośników w strukturach półprzewodnikowych. 3. Oddziaływanie polowe i napięcia charakterystyczne w strukturach m-s, m-i-s, p-n. 4. Stałe czasowe zjawisk nierównowagowych w ciele stałym.
Metody oceny:
Realizacja przedmiotu obejmuje następujące formy zajęć:  wykład prowadzony w wymiarze 2 godz. tygodniowo;  zajęcia laboratoryjne prowadzone w drugiej części semestru w ramach tych zajęć student wykonuje pięć trzygodzinnych ćwiczeń dotyczących obserwacji zjawisk fizycznych z zakresu wiedzy przekazywanej w ramach wykładu oraz wiedzy nabywanej podczas zajęć laboratoryjnych; korzystając z udostępnionej w laboratorium aparatury pomiarowej, zgodnie z instrukcją wykonania danego ćwiczenia, przeprowadza serię eksperymentów pomiarowych, a następnie opracowuje uzyskane wyniki i wyciąga odpowiednie wnioski; materialnym rezultatem wykonanych czynności jest sprawozdanie z ćwiczenia;  student może ponadto uczestniczyć w prowadzonych co tydzień w wymiarze 1 godz. konsultacjach wykładowych oraz w konsultacjach laboratoryjnych . Sprawdzanie założonych efektów kształcenia realizowane jest przez:  ocenę wiedzy i umiejętności wykazanych na pisemnych kolokwiach wykładowych (pytania o charakterze teoretycznym i ewentualnie problemy rachunkowe, w niektórych przypadkach na kolokwiach student może korzystać z dozwolonych materiałów pomocniczych, np. kart wzorów);  ocenę wiedzy i umiejętności związanych z realizacją zajęć laboratoryjnych;  ocenę sprawozdań z realizacji ćwiczeń laboratoryjnych oraz laboratoryjnych sprawdzianów końcowych (ustnych lub pisemnych);  ocenę ewentualnego sprawdzianu ustnego w przypadku wątpliwości co do oceny;  formatywną ocenę związaną z rozwiązaniem problemów przedkolokwialnych, a także z interaktywną formą prowadzenia wykładów.
Egzamin:
nie
Literatura:
Literatura podstawowa: 1. S. M. Sze, K. Ng, “Physics of semiconductor devices”, John Wiley & Sons Inc. Hoboken, New Jersey, 2007. 2. Chenming Calvin Hu, “Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits”, 2010. (https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/Book-Chapters-and-Lecture-Slides-download.html) 3. J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, WNT, Warszawa, 2003. Literatura uzupełniająca: 1. I.W. Sawieliew, "Wykłady z fizyki", Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa, 2000
Witryna www przedmiotu:
https://usosweb.usos.pw.edu.pl/kontroler.php?_action=katalog2/przedmioty/pokazPrzedmiot&prz_kod=103C-INxxx-ISP-FPPI
Uwagi:
(-)

Efekty uczenia się

Profil ogólnoakademicki - wiedza

Charakterystyka W01
ma ugruntowaną wiedzę dotyczącą fundamentalnych praw i zasad mechaniki kwantowej
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: W02
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_W, I.P6S_WG.o
Charakterystyka W02
ma podstawową wiedzę dotyczącą zjawisk zachodzących w półprzewodniku w stanie równowagi termodynamicznej i w stanie nierównowagi termodynamicznej
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: W02, W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_W, I.P6S_WG.o, III.P7S_WG
Charakterystyka W03
ma podstawową wiedzę dotyczącą zjawisk wstrzykiwania i ekstrakcji nośników (np. w złączach p-n, m-s)
Weryfikacja: kolokwium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: W02, W03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_W, I.P6S_WG.o, III.P7S_WG
Charakterystyka W04
ma uporządkowaną wiedzę z zakresu działania omawianych przyrządów półprzewodnikowych
Weryfikacja: kolokwium, laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: W03, W02
Powiązane charakterystyki obszarowe: I.P6S_WG.o, III.P7S_WG, P6U_W

Profil ogólnoakademicki - umiejętności

Charakterystyka U01
potrafi dokonać analizy podstawowych zjawisk opisywanych prawami mechaniki kwantowej w nanoelektronice lub fotonice (np. na podstawie przebiegu kwadratu modułu funkcji falowej)
Weryfikacja: kolokwium, laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U01
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U02
potrafi wykorzystać model pasmowy ciała stałego do analizy zjawisk w ciele stałym i przyrządach półprzewodnikowych (np. złącza p-n, m-s)
Weryfikacja: kolokwium, laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U01
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U03
umie oszacować równowagowe koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach samoistnych i domieszkowanych (przy różnych poziomach domieszkowania) z uwzględnieniem wpływu temperatury
Weryfikacja: kolokwium, laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U01
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U04
potrafi określić podstawowe parametry półprzewodników związane ze stanem nierównowagi termodynamicznej, rozróżnia i rozpoznaje czynniki wywołujące przepływ prądu w podstawowych przyrządach półprzewodnikowych oraz potrafi oszacować wartości odpowiednich prądów (unoszenia, dyfuzji)
Weryfikacja: kolokwium, laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U01, U03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U05
umie wykorzystać równania transportu (prądu, ciągłości i Poissona) do określenia czasowoprzestrzennych rozkładów nośników w wyróżnionym obszarze półprzewodnika u6: potrafi zmierzyć podstawowe charakterystyki prądowo-napięciowe prostych elementów półprzewodnikowych (np. fotorezystora, fotodiody, termistora, diod ze złączem m-s i p-n)
Weryfikacja: kolokwium, laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U01
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U06
potrafi zmierzyć podstawowe charakterystyki prądowo-napięciowe prostych elementów półprzewodnikowych (np. fotorezystora, fotodiody, termistora, diod ze złączem m-s i p-n)
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U07
potrafi zmierzyć charakterystyki pojemnościowo-napięciowe złącza p-n oraz kondensatora MOS
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U08
potrafi sporządzić protokół pomiarowy oraz wykonać wykresy charakterystyk w różnych skalach; na podstawie pomiarów umie wyznaczyć podstawowe parametry badanych struktur półprzewodnikowych (np. współczynniki termiczne, prąd nasycenia, rezystancję szeregową, siłę elektromotoryczną, itp.)
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U03, U09
Powiązane charakterystyki obszarowe: III.P6S_UW.o, P6U_U, I.P6S_UK, I.P6S_UW.o
Charakterystyka U09
potrafi (w stopniu podstawowym) powiązać uzyskane dane pomiarowe i obliczeniowe z własnościami oraz parametrami fizycznymi struktury (np. oszacować szerokość przerwy energetycznej w półprzewodniku, określić poziom domieszkowania półprzewodnika, grubość tlenku podbramkowego w strukturze MOS, ładunek efektywny w tlenku itp.)
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U01, U03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U10
w stopniu podstawowym ocenia poprawność dokonanych pomiarów oraz dokonuje podstawowej analizy błędów (zgodność lub niezgodność z przebiegami teoretycznymi, wyjaśnienie podstawowych przyczyny nieidealności charakterystyk); próbuje formułować samodzielne wnioski podsumowujące uzyskane wyniki
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U01, U03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U11
umie posługiwać się przyrządami pomiarowymi
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U03
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UW.o, III.P6S_UW.o
Charakterystyka U12
umie pracować indywidualnie i w zespole, dzielić zadania pomiędzy członków zespołu, dyskutować i wspólnie wyciągać wnioski
Weryfikacja: laboratorium
Powiązane charakterystyki kierunkowe: U08
Powiązane charakterystyki obszarowe: P6U_U, I.P6S_UO