ECE 523: Gaseous Electronics and Plasmas 
`
`Spring 2016 
`
`Instructor: J. Gary Eden, 2042 ECE Building, email: jgeden@illinois.edu 
`
`TA: Jimmy Ni, 2038 ECE Building, email: hni2@illinois.edu 
`
`Office hour: Tuesday after class, 2:00 – 3:00 ECEB seminar room. 
`
` 
`
`Goals of Course: 
`
`This  course  addresses  the  fundamental  science  and  technology  of  low  temperature,  partially  ionized, 
`non‐equilibrium  plasmas.  This  class  of  plasmas  is  used,  for  example,  for  etching  and  deposition  of 
`materials, surface treatment, lighting sources, flat panel displays, and lasers. These plasmas also occur 
`naturally in phenomena such as the aurora borealis and interstellar lasers. The objectives of this course 
`are  to  first  provide  a  foundation  of  the  fundamentals  of  electron‐atom  and  electron‐heavy  particle 
`collisions,  electron  and  ion  transport,  and  the  electron  energy  distribution  function.  After  laying  this 
`foundation, the course will apply these fundamentals to the study of technologies which use partially 
`ionized plasmas, with examples taken from lasers, plasma material processing, and lighting sources. If 
`time allows, the physics of microplasmas will also be discussed. 
`
`Grading policy: 
`
`The topics being addressed in this course are inter‐ and cross‐ disciplinary. As a result, one will not fully 
`benefit  from  the  course  without  putting  a  good‐faith  effort  into  the  homework.  To  acknowledge  the 
`importance  of  homework,  it  is  heavily  weighted  in  the  determination  of  the  grade.  The  grading 
`algorithm will be as follows: 
`
`Homework 
`
` 
`
`Mid‐term exam  
`
`Final project 
`
` 
`
`Instructor’s discretion 
`
` 
`
` 
`
` 
`
` 
`
`30% 
`
`30% 
`
`35% 
`
`5% 
`
`Texts: 
`
`Required: M. Lieberman and A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing 
`(2nd edition is preferred)    
` 
` 
` 
` 
` 
`ISBN: 0471780011 
`
`Optional: A. Von Engel, Electric Plasmas: Their Nature and Uses   
`
`ISBN: 0850661471 
`
`   B. E. Cherrington, Gaseous Electronics and Gas Lasers   
`
`ISBN: 0080206220 
`
`   B. M. Smirnov, Physics of Ionized Gases 
`
`   Y.P. Raizer, Gas Discharge Physics 
`
` 
`
` 
`
` 
`
` 
`
`ISBN: 0471175943 
`
` ISBN:
`
` 3540194622 
`
` 
`
` 
`
`Energetiq Ex. 2012, page 1 - IPR2015-01368
`
`

`
`ECE 523 Tentative Schedule‐ Spring 2016 
`
`Topics 
`
`Introduction, plasma application 
`Qualitative  characteristics  of  plasmas,  plasma  frequency, 
`Debye length, electron density, conductivity 
`Boltzmann’s equation 
`Boltzmann’s equation (cont.), conservation equations 
`Elastic collisions (momentum transfer, Coulombic, induced 
`dipole) 
`(electronic  excitations, 
`Inelastic  collisions 
`rotational and vibrational excitation) 
`Cross‐sections and rate coefficients 
`Cross‐sections  and  rate  coefficients  (cont.)  experimental 
`methods 
`Electron transport, diffusion 
`Diffusion (cont.) 
`
`ionization, 
`
`Container interactions (sheath) 
`Sheaths, Bohm criterion 
`
`Required 
`Reading 
` 
`Lieberman 
`1.1 – 1.4 
`L 2.1 – 2.4 
`L 3.1 – 3.3 
`L 3.4, 
`Appendix A 
`L 8.1 – 8.3 
`
` 
` 
`
`L 5.1 
`L 5.2‐ 5.4 
`
`L 6.1 – 6.3 
`L 6.4 
`
` 
` 
`
`Assignments 
`
` 
` 
`
` 
`HW 1 assigned 
` 
`
`HW 1 due, 
`HW 2 assigned 
` 
`HW 2 due, 
`HW 3 assigned 
` 
`HW 3 due, 
`HW 4 assigned 
` 
`HW 4 due, 
`HW 5 assigned 
` 
`HW 5 due 
`
`L 6.5 
`
` 
`
`L 6.6 
`14.1 – 14.4 
`
` 
` 
`
` 
`
` 
`project 
`Final 
`assigned 
` 
` 
`
`HW 6 assigned 
`
` 
` 
`L 13.1, 13.2  HW 6 due 
`15.1 – 16.3 
` 
` 
` 
`
` 
` 
` 
` 
` 
` 
`
` 
` 
` 
` 
` 
`Final paper due 
`
`Bohm criterion (cont.), thermionic emission 
`Secondary  electron  emission,  collisional  Boltzmann 
`equation 
`Collisional  Boltzmann  equation  (cont.),  two‐temperature 
`approximation 
`Langmuir probes 
`Normal  glow  discharge,  cathode  fall  equation,  abnormal 
`glow discharge, negative glow, positive column 
`Midterm exam 
`Arc discharge advantages, hollow cathode, electron‐beam 
`pumped discharge 
`RF  discharge 
`advantages, 
`characteristics 
`Ions in RF discharges, CCP, dielectric barrier discharges 
`Magnetic fields in plasmas, ECRs, helicons 
`Plasma procession (RIE, PECVD, Sputtering) 
`Plasma 
`light  sources,  high‐pressure  sodium 
`mercury lamps 
`Plasma display panels 
`Lasers 
`Lasers (cont.) 
`Final presentations 
`Final presentations (cont.) 
`Reading day 
`
`sheath  potentials, 
`
`IV 
`
`lamps, 
`
`Date 
`
`1/19 
`1/21 
`
`1/26 
`1/28 
`2/2 
`
`2/4 
`
`2/9 
`2/11 
`
`2/16 
`2/18 
`
`2/23 
`2/25 
`
`3/1 
`3/3 
`
`3/8 
`
`3/10 
`3/15 
`
`3/17 
`3/29 
`
`3/31 
`
`4/5 
`4/7 
`4/12 
`4/14 
`
`4/19 
`4/21 
`4/26 
`4/28 
`5/3 
`5/5 
` 
`
`Energetiq Ex. 2012, page 2 - IPR2015-01368