Nach positiver Absolvierung der Lehrveranstaltung sind Studierende in der Lage...

• die umgebungsabhängigen Materialeigenschaften von Halbleiter-Schichten für Sensoren zu verstehen.
• die Funktionsprinzipien mehrerer wichtiger Halbleiter-basierter Sensoren zu beschreiben, zum Beispiel Temperatursensoren, chemische und Gassensoren und optoelektronische Sensoren.
• die Funktionsweise von Halbleitersensoren mit verfügbaren Simulationswerkzeugen zu simulieren.
• Modelle zur Simulation von Halbleitersensoren auf der Basis von beispielsweise Temperatur-, Strom- und Potentialänderungen zu beschreiben und teilweise zu realisieren.
• ihre Kenntnisse bei der Entwicklung von Simulationswerkzeugen im Bereich Technology Computer-Aided Design (TCAD) für Halbleitersensoren anzuwenden.
• fortgeschrittene numerische Methoden (zum Beispiel Finite Difference Time Domain – FDTD)  anzuwenden.

Die Lehrveranstaltung gibt einen Überblick über die Manipulation der Leitfähigkeit eines Halbleitermaterials zur Herstellung von Sensoren sowie deren Modellierung und Simulation. Darüber hinaus wird die Lehrveranstaltung auf vorhandenem Halbleiterwissen aufbauen, um die vorteilhaften Einsatzmöglichkeiten von Halbleitern abseits von Transistoren für digitale und analoge Schaltungen vorzustellen. Die Lehrveranstaltung wird unter anderem die folgenden Bauelemente vorstellen:

• Dioden-Temperatursensor: Die Studierenden werden den P/N-Übergang aus einem anderen Blickwinkel betrachten. Sie werden untersuchen, wie diese einzigartige Struktur als Temperatursensor verwendet wird und wie man sie modelliert.
•  BioFET: Das Wandler-Element in BioFETs ist ein ionenempfindlicher Feldeffekttransistor (ISFET), der üblicherweise zur Messung von Ionenkonzentrationen in einer Lösung (z.B. pH-Wert) verwendet wird. Es wird diskutiert, wie ein MOSFET so modifiziert werden kann, dass ein ISFET und BIOFET entsteht, und wie diese Bauelemente simuliert werden können.
• Gassensor: Es wird die chemische Reaktion beschrieben, die an der Oberfläche eines Halbleiter-Metalloxid-Gassensors abläuft. Darüber hinaus werden die elektrothermisch-mechanischen Simulationen der für diese Bauelemente erforderlichen komplexen MEMS-Strukturen beschrieben.
• CMOS-Bildsensor: Es werden die Funktionsweise eines CMOS-Bildsensors, sein Nutzen gegenüber den Alternativen und Techniken zu seiner Modellierung beschrieben.
• Optoelektronischer Sensor: Es werden Geräte wie nicht-dispersive Infrarot- (NDIR) und Ein-Photonen-Lawinendioden- (SPAD) Sensoren beschrieben. Dazu gehört eine praktische Komponente, die in einer FDTD-Umgebung (Finite Difference Time Domain) arbeitet, um optoelektronische Probleme zu lösen.

Die Unterrichtsmethoden, die im Kurs verwendet werden, umfassen eine Kombination von vier Lernstilen: visuell, verbal, logisch und eigenständig. Die visuellen Methoden umfassen die Darstellung von experimentellen und Simulationsergebnissen in Bezug auf die verschiedenen Halbleitersensoren, während das Verbale insbesondere in den Vorlesungen verwendet wird. Logisches und eigenständiges Lernen wird während der Übungen angewendet, bei denen die Studierenden ein Problem kritisch analysieren und selbstständig eine Lösung erarbeiten müssen.

Es werden drei abgestufte Übungen angeboten, die mit jeweils 20% der Gesamtnote des Kurses bewertet werden.
Eine mündliche Abschlussprüfung wird mit 40% der Gesamtnote bewertet.
Die Studierenden müssen mindestens 2 praktische Übungen positiv abschließen und die Abschlussprüfung bestehen (>50%).

Grundkenntnisse im Programmieren in C / C++ oder Python sind erwünscht.

Erfolgreicher Abschluss des Kurses: 360.241 Introduction to Semiconductor Physics and Devices oder Ähnliches ist erforderlich. Als Alternative dazu ist ein Hintergrund oder Wissen über Halbleiterbauelemente und deren Simulationstechniken erforderlich.