Prüfungsprotokoll 1662
Fach Physikalische Vertiefung: Angewandte Festkörperphysik und Photonik bei Prüfer Prof. Leo und Prof. Helm


































ID 1662
Prüfung für Master
Fach Physikalische Vertiefung: Angewandte Festkörperphysik und Photonik
Sonstiges Fach Semiconductor Physics & Semiconductor Quantum Structures
bei Prüfer Prof. Leo und Prof. Helm
Fachsemester 1
Datum der Prüfung 28.02.2018
Bei Prüfer gehörte Veranstaltung Prof. Leo: Semiconductor Physics; Prof. Helm: Semiconductor Quantum Structures
Vorbereitung auf die Prüfung Mit den Mitschriften, der Zusammenfassung (Semiconductor Physics) und den Folien (Semiconductor Quantum Structures). Wert gelegt v.a. auf die Sachen, die man zeichnen kann (Bandstrukturen, Abhängigkeiten, Devices, ...) und Überblick über Größenordnungen.
Dauer der Vorbereitung 3 Wochen (davon 1 intensiv)
Art der Vorbereitung hauptsächlich allein
Allgemeine Tipps zur Vorbereitung In der VL mitnotieren, wenn der Prof. sagt, dass was wichtig ist. Weniger wichtig sind genaue Formeln, wichtig sind qualitatives Verständnis und die Kenntnis von den Größenordnungen, in denen man sich bewegt. Bei Halbleiterphysik die Zusammenfassung nutzen.
Verwendete Literatur Nur zum Nachlesen bei Unklarheiten: Sapoval, Hermann "Physics of Semiconductors", ; Sze, Kwok "Physics of Semiconductor Devices".
Wie verlief die Prüfung? Zweigeteilte Prüfung: erst hat Prof. Leo gefragt, dann Prof. Helm, der jeweils andere hat protokolliert. Es war vor allem eine Frage-Antwort-Prüfung, bei Leo konnte ich den Verlauf gefühlt nicht beeinflussen, bei Helm schon mehr durch die Antworten, die ich gegeben habe.
Wie reagiert Prüfer, wenn man die Frage nicht gleich beantworten kann? Mit Umformulieren der Frage, dann Hilfestellung, dann Erklären der richtigen Antwort.
Kommentar zur Benotung Sehr fair.
Allgemein zur Prüfung und Prüfer In der Kombination geht es natürlich viel um Halbleiter - hat den Vorteil, dass man beim Lernen sich vor allem in einem Themengebiet bewegt und die VL sich an einigen Stellen gut ergänzen. Nachteil: die Basics zu Halbleitern wird man nur einmal gefragt, d.h. an manchen Stellen kann es etwas tiefgehender werden. Prüfer würde ich beide und auch in der Kombi weiterempfehlen.
Was war schwierig an der Prüfung? Dass es hier auf der Website noch keine Protokolle gab ;-)
Welche Fragen wurden konkret gestellt? Prof. Leo:
  • "Urhalbleiter" Silizium: Wie ist seine Struktur? (Diamant, d.h. fcc und Basis) Was hat das kubische Gitter für Implikationen? (eff. Masse isotrop), Bandstruktur von Silizium aufmalen (Minimum des Leitungsbands beim X-Punkt)
  • Unterscheidung indirekter, direkter HL erläutern, in der Si-Bandstruktur zeigen und erklären, wie man experimentell direkt und indirekt unterscheidet (Absorption)
  • Effektive Masse motivieren und definieren, erklären, wie man die am Banddiagramm ablesen kann (curvature)
  • Welche Arten von Leitung bzw. Strom gibt's im HL? -> Diffusion und Feld; Feld: definiere Beweglichkeit mu (v_D=mu F)
  • Wo gilt der lin. Zusammenhang? (bis zu 10^4 V/cm Feld) Was passiert darüber? (Sättigung; bei GaAs zusätzl. Gunn-Effekt); Wodurch kommts zur Sättigung? (Streuung) Was genau trägt da vor allem bei? (Streuung an opt. Phononen)
  • Welches Modell nutzt man, um mu zu modellieren? (Drude Modell) Drude Modell erklären (elast. Stöße, freies Elektronengas) und Formel für Beweglichkeit, dabei tau erklären. Warum versagt das Drude-Modell bei Metallen, ist aber bei HL ganz gut? (weil nur die Elektronen an der Bandkante zur Leitung beitragen, beim HL sind das näherungsweise alle - d.h. Drude funktioniert gut -, beim Metall ist das aber nur ein Bruchteil der Elektronen, die im Leitungsband sind - Drude betrachtet aber diese alle und damit viel zu viele); wie sehr das Drude-Modell versagt kann man ungef. abschätzen aus der Fermi-Temperatur von Metallen - wissen Sie, in welcher Größenordnung die liegt? (10000 K; das war aber ne Zusatzfrage ;))
  • Bipolarer Transistor: wie sieht der aus und wie funktioniert der? (npn-Transistor aufgemalt, Emitter-Base-Collector) Welcher Strom steuert welchen? (EB steuert EC), im Banddiagramm begründen. Was muss ich beachten, dass der Transistor wirklich funktioniert? (beim npn: n-Dotierung im Emitter, damit Löcherstrom unterdrückt; generell: Base muss dünn sein im Vgl. zur Diffusionslänge, damit die Elektronen durchkommen)
  • Was ist im Gegensatz dazu der FET? (Spannung kontrolliert den Strom)
  • MIS-Junction: 3 Regime erklären und aufmalen (Accumulation, Depletion, Inversion)
  • Warum hat es so lange gedauert, bis der MOSFET realisiert wurde? (Oberflächenzustände stören, also müssen I und S sehr rein sein; und I muss dünn genug sein)
 Hier hat Prof. Helm übernommen:
  • im Inversionsmodus: was hat man da an der Oberfläche? (2D Elektronengas)
  • Wie ist die Potentialform da? (Dreieick) - Wie berechnet man die Energieeigenwerte und Eigenfunktionen im Dreieck? (erst "normal" erklärt, dann mit WKB), Energieeigenwerte (prop. n^(2/3)) sollte ich einzeichnen, dann auch die Eigenfkt. (Airy-Fkt.).
  • Wie sehen die Airy-Fkt. aus und was haben sie mit der Potentialform zu tun? (habe Ai und Bi aufgemalt und wusste nicht, was mit der Potentialform gemeint war - das war wohl auch deutlich weiterführend (muss man also nicht wissen), aber es ist so, dass Ladungsträgern im Feld (was dem Dreieckspot. entspricht) beschleunigt werden, d.h. v steigt und damit die Energie. Die de-Broglie-Wellenlänge wird also kleiner. Und genau das kann man an Ai gut sehen, weil sich im Gegensatz zum Sinus z.B. da auch was an der Wellenlänge tut. Ich hab dann noch gefragt, was mit Bi ist, die ja divergiert, da haben wir noch ein bisschen diskutiert.)
  • WKB-Näherung nochmal erklärt -> Wo nutzt man das noch? Tunneln durch Barriere -> hier die Formel erklären und für Rechtecksbarriere anwenden
  • Tunneln/Transmission durch rechteckige Barriere: T über E/V aufmalen, Formel für T grob skizzieren - Näherung für dicke (entspricht WKB) und dünne (T=1) Barriere an der Formel erklären und im T über E/V-Diagramm erklären.
  • Transport: Stromdichte in 3D, 2D, 1D
  • Transport in 1D: Besonderheit erklären - univ. Conductance e^2/h.
  • Wobei ist e^2/h noch wichtig (bzw. eig. wichtiger)? (Quantum Hall Effect)
  • Quanten Hall Effekt erklären (hab erst Landau-Level erklärt - das reichte oberflächlich) und dann den QHE).