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Physik moderner Technik

Die Vorlesung gibt einen einführenden Überblick über physikalisch orientierte Schlüsseltechnologien und High-Tech Bereiche. Das Basiswissen und das physikalische Verständnis über die Funktionsweise von Bauelementen, die in der modernen Alltagswelt Anwendung finden, werden in der Vorlesung vermittelt. Folgende Themenfelder werden behandelt: Elektronik (Halbleiterbauelemente, optoelektronische Bauelemente, Sensoren und Aktoren), Informations- und Telekommunikationstechnologie (Fernsehtechnik, Displays und Bildschirme, Matrix-basierte Speicher und Massenspeicher, Lichtwellenleiter, GPS), Energietechnik (Brennstoffzelle, Wasserstoffspeicherung, Solarzelle), Medizintechnik (Röntgenverfahren, Magnetresonanztomographie, Positronenemissionstomographie, Sonographie)

1. Semester – VO – 2 ECTS
Vortragende(r): Würschum Roland
TUGonline

Modus und Unterlagen

Die erste Hälfte der Vorlesung (Physik moderner Technik A) ist Teil der STEOP, daher ist die entsprechende Prüfung schriftlich und zum Teil multiple choice. Die Prüfung über den zweiten Teil (Physik moderner Technik B) ist ebenfalls schriftlich. Alternativ kann eine mündliche Prüfung über den gesamten Vorlesungsstoff absolviert werden.

Das Skriptum von Prof. Würschum wird zu Beginn der Vorlesung ausgegeben bzw. ist im Materialphysik-Sekretariat erhältlich.

Prüfungsfragen

Prüfungsberichte

Bipolartransistor (Aufbau, Funktionsweise), MOSFET, DRAM, MRAM, DVD, Brennstoffzelle (Erklärung der Funktionsweise und genaue Beschreibung der verschiedenen Typen), CCD, TFT-Flatscreen, Plasmabildschirm, NMR, Flash (Aufbau, Funktionsweise), Halbleiterlaser (stimulierte Emission – Inversion – optische Rückkopplung), Photodiode

  1. pn-Übergang: Aufbau, Diode, LED, direkte Halbleiter, Solarzellen, Materialien
  2. Transistor: bipolar (npn), unipolar (MOSFET), MOSFET zeichnen und Funktion erklären
  3. Datenspeicher: matrixbasierte Speicher (SRAM, DRAM, MRAM, FeRAM), Massenspeicher (Festplatte, DVD, Magnetooptische Speichermedien), qualitative Erklärung des GMR- und TMR-Effekts (Energieniveau & Spin der 3d-Bänder)
  4. Wasserstoffspeicherung: Druck, Temperatur & Aggregatzustand, Adsorbtion (Alpha-Beta-Phasendiagramme)
  5. GMR: Wie kommt es zu einer Widerstandsänderung? Wie sind die Schichten angeordnet? Wie ist die Magnetisierung der Schichten ausgerichtet (parallel zu Oberfläche)? Anwendung?
  6. TFT: Aufbau, Funktionsweise
  7. Chemische Sensoren: besonders Gassensor mit Festelektrolyt (Lambda-Sonde)
  8. Magnetresonanztomographie (MRT): Larmorfrequenz, Spin-Gitter Relaxationszeit (\( T_1 \)), Spin-Spin Relaxationszeit (\( T_2 \)), Ortsinformation aus \( B_0(x) \)
  1. Was ist ein p-Typ bzw. ein n-Typ Halbleiter?
  2. Wie ist ein Bipolartransistor aufgebaut? Woher kommt der Name? Als was kann man ihn verwenden (Verstärker)? Funktionsweise?
  3. Funktionsweise einer Photodiode? Unterschied zwischen direktem und indirektem Halbleiter? Welche Halbleiter werden für Solarzellen verwendet (Si am wichtigsten)? Wirkungsgrad einer Solarzelle? Wie ist er definiert? Warum ist der Wirkungsgrad so niedrig (Skript S. 112 → 3 Punkte)?
  4. Welche zwei Speicherarten gibt es (Halbleiterspeicher und Massenspeicher)? Welchen Vorteil haben DRAMs (gegenüber z.B. SRAMs)? Wie ist ein Flashspeicher aufgebaut bzw. woraus besteht er (Matrix aus FETs mit Floating-Gate zwischen Kontroll-Gate und Oxid)? Aufbau und Funktionsweise von MRAMs (TMR erklären!)? Wie erfolgt die Speicherung beim MRAM (Strom durch Word- und Bitleitung → Ummagnetisierung der „oberen“ Schicht)?
  5. Aufbau und Funktionsweise der Brennstoffzelle (Redoxreaktionen beschreiben → wo findet Oxidation, wo Reduktion statt)? Welche zwei Arten gibt es (\( \ce{H^+} \) leitend oder \( \ce{O2^-} \) leitend)? Aus was bestehen die Elektrolyten der beiden Arten (\( \ce{H^+} \) leitend: Polymere; \( \ce{O2^-} \) leitend: Festelektrolyt)? Welcher Festelektrolyt wird verwendet und wie funktioniert die \( \ce{O2^-} \)-Leitung?
  1. Erklärung des pn-Übergangs
  2. FeRAM – Schreiben und Lesen
  3. DVD-RW – Unterschied zu DVD+RW
  4. PET – Wie werden gamma-Teilchen genau erzeugt (Elektron-Positron-Annihilation)?
  5. H-Feststoffspeicher (Cp-Diagramm)
  6. Zusammenhang zwischen Verwendung verschiedener Materialien und ihrer Stellung im Periodensystem

FET (Gate-Größe), chemische Sensoren, über Floating Gate zum FeRAM/FeFET, GMR & SQUID, Solarzelle (Materialen & Begründung, wie müssen die Photonen beschaffen sein), PET (genaue physikalische Beschreibung)

LED, LASER (wie kann man rückkoppeln), LWL (Wellenlänge, verschiedene Materialien), DVD, magnetische Festplatte (Schreiben), magnetooptische Speicher (Lesen und Schreiben), PC RAM, Brennstoffzelle (Eigenschaften der Elektrolyten, warum braucht man bei SOFC eine so hohe Temperatur, welche Nachteile hat die niedrige Temperatur bei PEMs), Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden (Phasendiagramme, mehrere Beispiele, alpha-beta-Phase), MRT (Größenordnungen, wie kann man nur \( \frac{\pi}{2} \) erreichen, Ortsbestimmung), PET (Annihilation, Glukoseanalogon)

Die mündliche Prüfung dauert zwischen 30-45 Minuten, wobei im Laufe eines Prüfungstages das ganze Skript durchgefragt wird. Der GMR-Effekt ist sicher ein Lieblingsthema. Es ist nie schlecht, für jedes Bauteil auch Werkstoffe zu kennen.

  1. pn-Übergang (Was ist Dotierung? Wodurch kommt das elektrische Feld zustande? Welche Atomrümpfe bleiben in der Verarmungszone?)
  2. Transistor erklären (Aufbau aus zwei Dioden, dazu noch: wann sperrt er (eine Diode))
  3. LED (gängige Materialien, welches für blaue LED, warum leuchtet eine LED, Heterostrukturen, deren Vorteil)
  4. LASER (Aufbau, kantenemittiert, oberflächenemittiert, blauer LASER, Besetzungsinversion, optischer Resonator (wichtig für die Ausbreitung nur einer Mode))
  5. Lichtwellenleiter (Typen, welche Wellenlängen sind ideal bezüglich Dämpfung)
  6. matrixbasierte Speicher (MRAM, Aufbau, Lesevorgang, Schreibvorgang, FeRAM (gleiche Unterfragen wie bei MRAM))
  7. PET (verwendete Isotope, was entsteht beim beta-Zerfall, wie kann man die Energie beim Zerstrahlen ausdrücken, wieso zwei gamma-Quanten antiparallel)
  1. pn-Übergang (u.A.: Wie kommt das elektrische Feld zustande? → ionisierte Atomrümpfe in der Verarmungszone)
    1. Anwendungen dieses Übergangs [Ich hab gleich zur Diode gelenkt, und was von direkten und indirekten Halbleitern erzählt, dadurch sind wir nicht zum Transistor kommen.]
    2. Wie ist die Leucht-Diode gepolt, was passiert wenn sie andersherum gepolt ist? → Solarzelle: Was bestimmt die Qualität der Solarzelle? (Wirkungsgrad beschrieben)
    3. Stoffe bei Leuchtdiode? [Hab gleich angefangen mit Doppelheterostrukturen und warum das Confining Layer lichtdurchlässig ist.]
  2. FeRAM und MRAM: wie erfolgt die Speicherung, wie das Auslesen (bei MRAM wichtig: bit und word line müssen geschaltet sein zum Schreiben)
    1. Wie funktioniert TMR-Effekt (Bandmodell etc.)? Was ist das für ein Stoff zwischen den zwei ferromagnetischen Schichten (Dielektrikum!)?
  3. MRT (wie die beiden Relaxationszeiten entstehen; bei \( T_2 \): auffächern???)
  4. PET (wie kommt das Zeug in den Körper, was passiert mit dem Positron, Fluor als wichtigstes Element…)
  1. pn-Übergang, Halbleiter, dotieren, welche Stoffe sind warum zu welchem Dotieren geeignet
  2. Funktionsweise Diode
  3. LED (wann, warum, wie) – Farbe, wenn man schon einen Stoff erwähnt
  4. Halbleiterlaser (recht genau erklären, wie er funktioniert – in welche Richtung strahlt er ab – VCSEL)
  5. Photodiode (erklären)
  6. magnetische Festplatte
  7. Unterschied matrixbasierte Speicher
  8. SRAM, DRAM, MRAM
  9. optische Datenübertragung – welche Wellenlänge benutzt wird und warum – monomode/multimode
  10. Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden (welche Stoffe sind geeignet, warum, was ist vorteilhaft, was nicht, Phasendiagramm!)
  11. Kernspin-Tomographie (Relaxationszeiten und wie sie zustandekommen)
  12. Positronen-Emissions-Tomographie
  1. pn-Übergang und wo er Anwendung findet
  2. LED → Funktionswiese, Materialien (rot/blau), warum nicht Si, was ist ein direkter Halbleiter
  3. LASER → Was bedeutet das Wort? Aufbau, Funktion, stimulierte Emission genauer, Rückkopplung genauer, VCSEL
  4. wiederbeschreibbare DVD
  5. non-volatile RAM → MRAM → TMR-Effekt, wie wird MRAM beschrieben
  6. Wasserstoffspeicherung → bei welcher Temperatur H flüssig, Metallhydride (Materialien), Phasendiagramm (alpha-beta) erklären
  7. PET → wie entstehen gamma-Quanten, welche Energie (\( E=mc^2 \)), warum in antiparalleler Richtung (Impulserhaltung), Vorteile/Nachteile
  1. LED (Aufbau, Funktion, Material für rote LED)
  2. Sensoren & Aktoren (Überblick, Lambda-Sonde & Gasdetektor genau beschreiben)
  3. MOSFET (Aufbau, Funktionsweise)
  4. LASER (wichtig: Inversion, Stimulation, Rückkopplung)
  5. GMR & TMR (Majoritäts- & Minoritätselektronen, d-Band, …)
  6. Überblick über Speicher (allgemeine Einteilung, magnetische Festplatte & MRAM & FeRAM & Flashspeicher genauer)
  7. Solarzelle (Entstehung des abgreifbaren Potenzials, Wirkungsgrad + begrenzende Faktoren)
  8. MRT (Funktionsweise)
  1. LED und Halbleiterlaser (sehr genau; wieso leuchtet sie rot, aus was besteht blaue LED)
  2. Bändermodell – Entstehung des Photons bei LED
  3. Halbleiter: Materialien
  4. GMR- und TMR-Effekte & Anwendungen (sehr genau; Spinverhalten wichtig)
  5. MRAM-Speicher (lesen und schreiben – wie das genau funktioniert)
  6. Displays – verschiede Arten und Funktionsweise (wieder genau auf die Zellen eingehen; Farbentstehung…)
  7. magnetische Festplatten und dazugehörige Lesetechniken
  8. Brennstoffzelle
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