Modul 21 bzw. 34: Wahlpflichtfach Analytik und Zuverlässigkeit von optoelektronischen Halbleiter Bauelementen (AZ)

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1 Fakultät Allgemeinwissenschaften und Mikrosystemtechnik Modulbeschreibung B.Sc. Sensorik und Analytik Modul 21 bzw. 34: Wahlpflichtfach Analytik und Zuverlässigkeit von optoelektronischen Halbleiter Bauelementen (AZ) Lernziele: Kennenlernen der Methoden der Halbleiter Bauelement Analyse. Verständnis der Funktionsweise und des Aufbaus optoelektronischer Bauelemente, ihrer Herstellungsmethoden und ihrer technischen Relevanz. Einsicht, dass neben der Effizienz die Zuverlässigkeit zu den wichtigsten Kenngrößen eines Produktes gehört. Kenntnis von komplexen Alterungseffekten am Beispiel von Laserdioden und LEDs. Einsicht, dass nur durch die Untersuchung der realen Bauelemente bis hinunter in den Nanometerbereich und die Verwendung dazu geeigneter analytischer Methoden das Ziel genügender Zuverlässigkeit erreicht werden kann. Vorkenntnisse / Voraussetzungen: Halbleiterphysik, Physik der Bauelemente Inhalte: 1. Einführung Was ist Zuverlässigkeit? Einführung in die Produktentwicklung 2. Halbleiterphysik Kristallstruktur, elektronische Bandstruktur, Verteilungsfunktionen, Zustandsdichte, Leitfähigkeit, Dotierung, pn Übergang, Metall Halbleiter Kontakt,

2 Kristallwachstumsmethoden, reale Kristalle, Defekte, optische Eigenschaften (Absorption, Exziton), Rekombinationsprozesse 3. Optoelektronische Bauelemente Leuchtdioden, Laserdioden, Modulatoren, Solarzellen, Sensoren, Detektoren, organische Leuchtdioden, menschliches Auge, lichttechnische Grössen 4. Analytische Methoden Einfache Teststrukturen (z.b. Hall, Raman, PL, X ray) Elektro optische pin Device Charakterisierung Bauelement im Stress Mikroskopische Methoden (z.b. SPM, Konfokale optische Mikroskopie, TEM) Massenspektroskopie (z.b. SIMS) 5. Zuverlässigkeitsphysik Grundbegriffe, Definitionen, Degradationsmodelle, Lebensdauerbestimmung 6. Problemlösungen Beispiele aus der industriellen Praxis Hochleistungslaserdioden, High brightness LEDs Literatur: S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, New York, 1981 C. Kittel, Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg, München, 2006 R. Paul, Halbleiterphysik, Verlag Technik, Berlin, 1974 M. Fukuda, Reliability and Degradation of Semiconductor Lasers and LEDs, Artech House, Norwood, 1991 O. Ueda, Reliability and Degradation of III V Optical Devices, Artech House, Norwood, 1996 G. Di Giacomo, Reliability of electronic packages and semiconductor devices, Mc Graw Hill, 1997 M. Ohring, Reliability and Failure of Electronic Materials and Devices, Academic Press, London, 1998

3 E. A. Amerasekera, F. N. Najm, Failure Mechanisms in Semiconductor Devices, Wiley, London, 1998 Lehrveranstaltungsart: Dauer: Leistungspunkte: Vorlesung mit eigenem Übungsvortrag 4 SWS 4 CP Abschätzung der work load: 28 x 1,5 Kontaktstunden; Nachbereitungszeit 28 x 1 h für die Vorlesungen; Übungsvortrag 16 h; Arbeitszeit für Prüfungsvorbereitung 24 h; Prüfungsdauer 1,5 h; Summe 111,5 h Dozent: Dr. rer. nat. Arndt Jaeger, Diplom Physiker Häufigkeit des Angebots /Wiederholungsmöglichkeiten: Die Vorlesung wird laut Studienplan im 3. Semester gehalten und wurde erstmalig im WS 2010/11 angeboten. Die Möglichkeit zur Prüfungsteilnahme besteht in jedem Semester. Informationen zu Prüfern, Prüfungsdauer, erlaubten Hilfsmitteln und Zulassungsvoraussetzungen entnehmen Sie bitte dem in jedem Semester aktualisierten Studienplan an anderer Stelle.

4 Fakultät Allgemeinwissenschaften und Mikrosystemtechnik B.Sc. Sensorik und Analytik, Modulbeschreibung Modul 21 bzw. 34, Fachbezogenes Wahlpflichtmodul: Kernphysikalische Methoden in Sensorik und Analytik (NUK, Applications of Nuclear Physics in Sensorics and Analytics) Lernziele: Grundkenntnisse der Kernphysik. Fundierter Überblick über die Anwendungen kernphysikalischer Methoden in der Sensorik und Analytik, und zwar in Forschung, Medizin und Technik. Einsicht in die besonderen Möglichkeiten und Grenzen kernphysikalischer Methoden sowie Kenntnis evtl. konkurrierender Verfahren. Detaillierte Kenntnis der Strahlungsmesstechnik. Vorkenntnisse / Voraussetzungen: TP1, TP2 Inhalte: Zunächst werden Lücken in den Kenntnissen der relativistischen und Quantenphysik geschlossen. Es folgt die Behandlung der Grundlagen der Kernphysik. Die Eigenschaften der bei Zerfällen emittierten Strahlung und deren Nachweis werden im Detail dargestellt. Anwendungen ionisierender Strahlung in verschiedensten Bereichen schließen das Thema ab.

5 Relativistik und Quantenphysik: Lorentz Transformation, Längenkontraktion, Zeitdilatation, Beziehung zwischen Energie sowie Impuls und Ruhemasse, Schrödinger Gleichung, Quantisierung, Potentialtopf, Unschärferelation, Tunneleffekt, Spin, Drehimpuls Addition, Goldene Regel Der Atomkern: Elementarteilchen, Kernbestandteile, Bindung, Isotopen, Kernmodelle, Weizsäckersche Massenformel, Massendefekt und Bindungsenergie, Wechselwirkung mit Atomhülle, Einfluss auf Spektren, Hyperfeinstruktur Kernzerfall: Arten, Mechanismen, Erhaltungssätze (wann ist Zerfall möglich?), Emission, Energiespektren, Halbwertszeit und Lebensdauer, Nuklidkarte, Verzweigungen, Zerfallsketten und radioaktives Gleichgewicht, Röntgenphotonen, oft verwendete Strahlungsquellen und deren Herstellung, Beschleuniger, Kernreaktionen Wechselwirkung Strahlung Materie: Streuung, Ionisation und Anregung, Bethe Bloch Formel, Reichweite, Bragg Peak, Besonderheiten bei Photonen (Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung, exponentielle Schwächung), strahleninduzierte Materialveränderungen Aspekte des Strahlenschutzes: Wechselwirkung mit Biomolekülen, LET Wert, Schadensmechanismen, Dosisbegriff, Grenzwerte, Schutzmaßnahmen, Abschirmung Detektoren für Strahlung: Gasgefüllte Detektoren, Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Geiger Müller Zähler, Szintillationsdetektoren (flüssig, Plastik, Kristalle), Halbleiterdetektoren (Si Li, HPGe, Oberflächensperrschichtzähler), mikrostrukturierte Si Detektoren, Neutronennachweis, Kryodetektoren Messtechnik: Energiespektren für Röntgenstrahlen, Gammas, Beta und Alpha Teilchen, Timing, Koinzidenz, Ortsauflösung, Signaturen, Elektronik, Shaping, Statistik, Untergrund Wissenschaftliche Anwendungen: Materialanalyse, EDX, WDX, XRF, Neutronenaktivierungsanalyse, Datierung, Tracing, Massenspektrometrie, Mössbauereffekt, Winkelkorrelation, Neutrinoastronomie Technische Anwendungen: Dickenmessung, Dichtemessung, Füllstandsmessung, Rauchmelder, Mähdrescher, radioaktive Markierung, technische Röntgenuntersuchung (Schweissnahtuntersuchung u.a.), Modifikation von Materialien, Bestrahlung von Lebensmitteln, radioaktive Batterien Medizinische Anwendungen: Bildgebung, Röntgen, CT, Kernmagnetische Resonanz, Ultraschall, Nuklearmedizin (Diagnose

6 und Therapie), PET, Tumorbestrahlung, Brachytherapie, Sterilisation, Biomagnetismus, SQUIDs Literatur: Stolz: Radioaktivität, Teubner 2005 Hering: Angewandte Kernphysik, Teubner 1999 Lilley: Nuclear Physics, Principles and Applications, Wiley 2001 (einführend) (weiterführend) (weiterführend) Shultis/Faw: Fundamentals of Nuclear Science and Engineering, Marcel Dekker 2002 (weiterführend, mit ausführlichem Tabellenteil) Knoll: Radiation Detection and Measurement, Wiley 2010 (behandelt Strahlungsdetektoren, sowohl einführend als auch umfassend) Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer 1994 (ähnlich Knoll, aber knapper) Tavernier: Experimental Techniques in Nuclear and Particle Physics, Springer 2010 (ähnlich Knoll, aber knapper) Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung, Teubner 2005 (betont Experimente der Grundlagenforschung) Lutz: Semiconductor Radiation Detectors: Device Physics, Springer 2007 (detaillierte Darstellung speziell von mikrostrukturierten Si Halbleiterdetektoren) Schatz/Weidinger/Deicher: Nukleare Festkörperphysik, Vieweg+Teubner 2010 (Anwendung nuklearer Messmethoden in der Festkörperanalytik) Bröcker: dtv Atlas zur Atomphysik, Deutscher Taschenbuch Verlag 1997 (viele erklärende Bilder, umfassende Thematik, aber nicht auf dem neuesten Stand) Lehrveranstaltungsart: Dauer: Leistungspunkte: Vorlesung, Demonstrationen im Labor und Übungen 4 SWS 4 CP Abschätzung der work load: 14 x 3 h Kontakt, 14 x 2 h Nachbereitung, 32 h Prüfungsvorbereitung, 1,5 h Prüfung, Summe 103,5 h

7 Dozent: Prof. Dr. Thomas Peterreins, Diplom Physiker Häufigkeit des Angebots /Wiederholungsmöglichkeiten: Erstmals angeboten im SS 2011, dann bei Bedarf in jedem Sommersemester Informationen zu Prüfern, Prüfungsdauer, erlaubten Hilfsmitteln und Zulassungsvoraussetzungen entnehmen Sie bitte dem in jedem Semester aktualisierten Studienplan an anderer Stelle.

8 Fakultät Allgemeinwissenschaften und Mikrosystemtechnik Akkreditierung B.Sc. Sensorik und Analytik, Modulbeschreibung Modul 21 bzw. 34: Wahlpflichtfach Vakuumtechnik (VT, Vacuum Physics and Technology) Lernziele: Fundiertes Verständnis der Grundbegriffe der Vakuumphysik und technik. Überblick über die Methoden der Vakuumerzeugung, Pumpen, Total und Partialdruckmessung sowie Lecksuche, Bauelemente und Dichtungssysteme. Fähigkeit zur qualifizierten Abschätzung vakuumtechnischer Größen und Beurteilung von Prozessen, wie sie im Bereich der Mikrotechnologie benötigt wird. Befähigung zur Planung / Auslegung einer vakuumtechnischen Anlage für die Mikrotechnik. Vorkenntnisse / Voraussetzungen: grundlegende Kenntnisse aus Physik, physikalischer Chemie und Mikrotechnologie Inhalte: 1. Bedeutung der Vakuumtechnik 2. Grundbegriffe: Totaldruck, Partialdruck, Enddruck, Dampfdruck, Saugvermögen, Saugleistung, Gasflussraten, Einheiten 3. Vakuumphysik 3.1. Ideales Gasgesetz 3.2. Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung, mittlere freie Weglänge, Flächenstoßrate, Bedeckungszeit

9 3.3. Transportvorgänge im Vakuum: Viskosität und Wärmeleitung 3.4. Strömungen: viskose und Molekularströmung, Hagen Poiseuille Gesetz, Knudsen Zahl, Verblockung 3.5. Leitwerte 3.6. Oberflächen im Vakuum: Physisorption, Chemisorption, Ausgasen, Permeation 3.7. Wachstum dünner Schichten auf Oberflächen im Vakuum 4. Vakuum Anlagen: Aufbau, Materialien, Bauelemente, Durchführungen, Flanschsysteme, Sicherheitsaspekte 5. Vakuum Erzeugung: 5.1. ölgedichtete und ölfreie Vorpumpen, Drehschieberpumpe, Membranpumpe, Schraubenpumpe, Scrollpumpe, Hubkolbenpumpe, Klauenpumpe, Sorptionspumpe 5.2. HV und UHV Pumpen: Turbomolekularpumpe, Holweckstufen, Ionengetterpumpe, Titan Sublimationspumpe, Kryopumpe, Diffusionspumpe, Rootspumpe 6. Druckmessung im Vakuum 6.1. Totaldruckmessung: mechanische Vakuummeter (Bourdon, McLeod), Pirani, Penning, Bayard Alpert, Radiometer 6.2. Partialdruckmessung, Massenspektrometer 6.3. Lecksuche, Leckratenbestimmung 7. Rechnungen zur Vakuumtechnik Literatur: Vakuumtechnik, Berechnungen und Tabellen, Leybold AG (jetzt Oerlikon Vacuum) Jousten (Hrsg.),Wutz Handbuch Vakuumtechnik, Vieweg Verlag Reuschling, Konzepte und Komponenten für Vakuum Beschichtungsanlagen, Beilage zu Vakuum in Forschung und Praxis, VCH Verlag Chambers/Fitch/Halliday, Basic Vacuum Technology, IOP Publishing Delchar, Vacuum Physics and Techniques, Chapman & Hall Nigel S. Harris, Modern Vacuum Practice Pupp/Hartmann, Vakuumtechnik, Hanser Verlag Lafferty, Foundations of Vacuum Science and Technology, Wiley Interscience

10 Lehrveranstaltungsart: Dauer: Leistungspunkte: Vorlesung mit praktischen Demonstrationen 4 SWS 4 CP gemäß ECTS Abschätzung der work load: 28 x 1,5 Kontaktstunden; Nachbereitungszeit 28 x 1 h für die Vorlesungen; Arbeitszeit für Prüfungsvorbereitung 32 h; Prüfungsdauer 1,5 h; Summe 103,5 h Dozent: Prof. Dr.rer.nat. Thomas Peterreins, Diplom Physiker Häufigkeit des Angebots /Wiederholungsmöglichkeiten: Vorlesung für MS4 und SA4 bzw. SA6 in jedem Sommersemester, Möglichkeit zur Prüfungsteilnahme in jedem Semester Informationen zu Prüfern, Prüfungsdauer, erlaubten Hilfsmitteln und Zulassungsvoraussetzungen entnehmen Sie bitte dem in jedem Semester aktualisierten Studienplan an anderer Stelle.