Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

1. Áttekintés a mikroelektronikáról, mint az egyik legnagyobb fejlődést mutató iparágról. A mikroelektronika szerepe, helye és tárgyköre. A mikroelektronikai tervező szakmérnök feladatai. A mikroelektronika és mikroelektronikai technológia alapfogalmai: minimális csíkszélesség (MFS), félvezető szelet (wafer), áramköri lapka (chip, die), szeletátmérő, egykristály rúd, planár technológia, osztásköz (pitch size), stb. Tranzisztorok 3D megvalósítása (FinFet, GAA, nanosheet tranzisztor kialakítások). Az áramköri rajzolat (layout) és a maszk, valamint az áramköri mag (core) és tappancs gyűrű (pad-ring) fogalma. A tiszta tér alapjai. Fotólitográfia kérdésköre (levilágítás, maszkillesztés). Az áramköri tokozások fejlődése az elmúlt évtizedekben: a Moore törvényen túl mutató (More than Moore) integráció, 2.5D és 3D tokozás (SiP, SoP, stacked die, CSP, stb.), heterogén integráció, fan-out packaging. A fizikai megvalósítások főbb paraméterei: csíkszélesség, lapkaméret, egy lapkára integrált tranzisztorok száma, órajel, disszipáció és integrált magok/funkciók változása azt elmúlt években.
2. IC gyár felépítése, legfontosabb területei (tisztatér, zsilip, szervíztér, stb.), korszerű gyártósorok, félvezetőgyártó cégek geográfiai eloszlása és gyártókapacitása. Fejlődési trendek, Moore jóslat, mint üzleti trend és hatása a mikroelektronikai gyártástechnológiákra. Mikroelektronikai iparra jellemző fogalmak megismerése: roadmap, red brick wall, technology node, stb.  A disszipáció sűrűség korlát, alkalmas hűtőeszköz kialakítások megismerése, integrált mikroméretű hűtőeszközök, folyadék- és mikrocsatornás hűtés kérdései és lehetőségei.
3. A félvezető eszközök működésének fizikai alapjai: Elemi és vegyületfélvezetők, direkt és indirekt félvezető anyagok sávszerkezete, diszperziós reláció. A generáció és rekombináció fogalma. Töltéshordozók koncentrációja tiszta, adalékolatlan (intrinsic) és az adalékolt félvezetőkben, töltéshordozó koncentrációk (többségi, kisebbségi) meghatározása és hőmérsékletfüggése, Fermi-szint fogalma.
4. Áramok a félvezetőkben: sodródási és diffúziós áramösszetevők, mozgékonyság és diffúziós állandó, Einstein-összefüggés, élettartam és generációs/rekombinációs ráta fogalma. Folytonossági és diffúziós egyenletek. Diffúziós egyenlet megoldása egy a félvezető eszközök esetén gyakran előforduló, jellegzetes példán. A diffúziós hossz meghatározása.
5. A dióda, mint a legegyszerűbb félvezető eszköz. Planár diódák kialakítása, adalékprofil fogalma. A pn átmenet működése, elektrosztatikus viszonyok a pn átmenetben. A kiürített réteg fogalma, szélességének meghatározása. A diffúziós potenciál fogalma és nagyságának meghatározása.  A pn átmenet nyitó irányú működésének részletes magyarázata. Ideális dióda karakterisztika meghatározása.
6. Dióda másodlagos jelenségeinek megismerése: generációs és rekombinációs áram, nagy áramsűrűségű jelenségek, letörési jelenségek (ütközéses ionizáció és alagúteffektus), soros ellenállás, tértöltési és diffúziós kapacitás. A pn átmenet záró irányú működése. A pn átmenet elektromos viselkedésének hőmérsékletfüggése.
7. A planáris kivitelű bipoláris tranzisztorok felépítése (diszkrét és integrált áramköri kivitel), a hatékony tranzisztor működés feltételei, a tranzisztorhatás magyarázata, injektálási- és transzport hatásfok, nagyjelű áramerősítési tényező meghatározása, beépített tér és hatásfokok számítása. Homogén és inhomogén bázisú bipoláris tranzisztor struktúrák. Potenciál viszonyok a bipoláris tranzisztorban.
8. A munkapont és a kisjelű működés fogalma. A pn átmenet differenciális ellenállásának meghatározása. Diódák és bipoláris tranzisztorok modellezése áramkör-szimuláció (SPICE) számára: modell topológia, modellegyenlet, modell paraméterek. Földelt emitteres alapkapcsolás működése. A bipoláris tranzisztor üzemmódjai és azok modellezése SPICE jellegű áramkörszimuláció számára: Ebers-Moll modell, kisjelű (fizikai π) modellek, alapvető kisjelű számítások. A bipoláris tranzisztorok szerepe a mai IC-kben (pl. BiCMOS áramkörök).
9. Térvezérlésű tranzisztorok fajtái: a JFET és a MOSFET eszközök. Az unipoláris működés lényege, a működés fizikai alapja. A térvezérlésű tranzisztorok teljes családjának megismerése. A JFET-ek elvi felépítése, karakterisztikái, működési tartományai, elzáródási feszültség fogalma, karakterisztika egyenlet meghatározása.
10. JFET-ek és MOSFET-ek kisjelű paraméterei, helyettesítőképei; a transzkonduktancia fogalma, feszültségerősítés meghatározása (közös source-ú kapcsolás esetén). JFET alapkapcsolások és jellemzőik. A JFET eszközök összehasonlítása bipoláris és MOS tranzisztorokkal. A MOSFET eszközök felépítése (kiürítéses/növekményes, n/p csatornás), alapvető működésük, fém- és poli-szilícium kapuelektródás kivitel összehasonlítása. Egy egyszerű MOS gyártástechnológia lépései, maszk készlete.
11. Felületi jelenségek a MOS kapacitás esetén: kiürülés, akkumuláció, inverzió. MOS kapacitás alkalmazási lehetőségei: CCD és CMOS képérzékelő szenzorok felépítése, működése, fejlődése az elmúlt évtizedekben. Modern képérzékelő eszközök (exmor, isocell, BSI, dual-pixel, pixel binning, HDR stb.) működésének megismerése.
12. MOS tranzisztorok karakterisztikái, küszöbfeszültsége, kapacitásai. MOS tranzisztorok SPICE szimulációs modelljeinek alapjai (topológia, főbb paraméterek). Másodlagos hatások MOS tranzisztorokban. Teljesítmény tranzisztorok: power FET-ek, termikus megfutás kérdése, SOA fogalma.  Az IGBT eszközök felépítése, működése, parazita elemek, karakterisztikák megismerése.
13. A mikroelektronikai gyártástechnológia és áramköri kapcsolástechnika fogalma és kapcsolata. Az nMOS-tól a modern rendszerchip eszközökben alkalmazott logikai áramköri családokig (CMOS, SCL, BiCMOS stb.). Legegyszerűbb nMOS digitális kapcsolások (inverter, NAND/NOR logikai kapuk) és ezek CMOS változatainak megismerése (áramköri kapcsolási rajz és layout terv). Arányos méretcsökkenés és hatása, Dennard törvény. Digitális integrált áramköri magok egyéb globális jellemzői: időzítési paraméterek, terhelő kapacitások, az IC vezetékek tulajdonságai. A CMOS inverter felépítése, jellemzői (zavarvédettség, jelregeneráló képesség, komparálási feszültség, jelterjedés). CMOS áramkörök fogyasztása, annak összetevői, frekvenciafüggése. Statikus és dinamikus MOS logikai kapcsolások felépítése, működése, összehasonlításuk.
14. Tartalék előadás: Speciális célú pn átmenetek: fotodiódák, napelemek, világító diódák (LED-ek) megismerése. Felépítésük, működésük, megvalósítási technológiájuk és kapcsolódó alapfogalmak megismerése. MEMS (mikro-elektromechanikai rendszerek) eszközök. A méretcsökkenés hatása, tipikus megvalósítások, kialakítások (árkok, membrán, konzol, híd, mikrorugó, fésűs meghajtó, mikrocsatornák stb.). Tömbi és felületi mikromegmunkálási technológiák. A CMOS technológiával való kompatibilitás kérdései. Tipikus szenzor alkalmazások megismerése. Az ilyen eszközök működésének modellezése, helyettesítőképeik.

-       Tanszéki elektronikus jegyzetek (elérhetőek a Kar Moodle elektronikus tanulmányi felületen)  

-       Székely V.: Elektronika I. Félvezető eszközök, Műegyetemi Kiadó, 55054

-       Mojzes Imre (szerk.): Mikroelektronika és elektronikai technológia (2. kiadás), ISBN 963-420-847-9, 2005

-       Harry J.M. Veendrick, „Nanometer CMOS ICs, from Basics to ASICs”, 2017, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-47597-4

A félév során a hallgatók számára emelt szintű, külön laboratóriumi foglalkozásokat tartunk. A laboratóriumi gyakorlatok tematikája nem tér el az IMSc programban nem résztvevő hallgatóknak tartott foglalkozások tematikájától, azonban a laboratórium aktuális témaköréhez kapcsolódó kutatásokban és/vagy ipari fejlesztésekben dolgozó, tapasztalt kollégák vezetésével történik. Ennek keretében nem csak a tananyag átadása, hanem az aktuális kutatási lehetőségek, tanszéki/kari/egyetemi kutatómunka ismertetése is megtörténik. Lehetőség nyílik továbbá a feladatmegoldás során sokkal mélyebb ismeretek, részletek átadására is.

A félév során projektmunka jelleggel a hallgatók egy kitűzött feladatot oldhatnak meg, nagy házi feladat jelleggel, melyért IMSc pontokat kaphatnak. Ebben a fő hangsúlyt a kiválasztott téma nemzetközi tudományos irodalmának szisztematikus feldolgozására helyezzük: megismertetjük a hallgatókat a szakterület legfontosabb folyóirataival (pl. különböző IEEE, Springer, Elsevier, stb. szakfolyóiratok) és legfontosabb konferenciáival, továbbá lehetőséget biztosítunk gyakorlati jellegű tevékenységre (pl. egy komplexebb szimulációs vagy tervezési feladat). Ehhez igény szerint külön tanórán kívüli időpontokban biztosítunk laboratóriumi hozzáférést és konzultációs lehetőséget. A hallgatók a projektfeladataik eredményéről egy saját dolgozatban számolnak be. A dolgozat beadási határideje legkésőbb a szorgalmi időszak utolsó hét péntek 12 óra.

A projekt munkában való részvétel a programban nem résztvevő hallgatók számára is biztosított.

A programban résztvevő hallgatóknak a laboratóriumi foglalkozások és a projekt munka szervezése során a mélységi gazdagítást és az ismeretek készség szintű elsajátítását tartjuk szem  

A félév során összesen 25 IMSc pont szerezhető.

IMSc pontokat szerezni a sikeresen elvégzett projektmunkával, valamint számonkérések alkalmával lehet.

A projektmunka sikeres (érhetően és világosan dokumentált, a projektfeladat céljának elérését bizonyító produktum bemutatása) teljesítésével 20 IMSc pont szerezhető.

További IMSc pontok szerezhetők a nagy ZH-n és a vizsgákon, az IMSc többletfeladatok sikeres megoldásával. Ezeket az IMSc pontokat csak az szerezheti meg, aki a kitűzött normál feladatok megoldásával a vizsgán a jeles szintet elérte. PótZH-n iMSc pont nem szerezhető!

Az IMSc pontok megszerzésének lehetősége a programban nem résztvevő hallgatók számára is biztosított. Az IMSc pontok nem befolyásolják a vizsga eredményét.