1 / 32

Mikroelektronika 1.

Mikroelektronika 1. A mikroelektronika kialakulása: fontosabb mérföldkövek 2. A mikroelektronika anyagai: félvezetők, dielektrikumok, fémek rendszerezése 3. Az elektronok energia-spektruma a félvezetőkben. Sávdiagram, Fermi-szint, kontaktpotenciál .

nellis
Download Presentation

Mikroelektronika 1.

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Mikroelektronika 1. A mikroelektronika kialakulása: fontosabb mérföldkövek 2. A mikroelektronika anyagai: félvezetők, dielektrikumok, fémek rendszerezése 3. Az elektronok energia-spektruma a félvezetőkben. Sávdiagram, Fermi-szint, kontaktpotenciál. 4. Seebeck ás Peltier effektusok, termopár, termogenerátor, hűtő.

  2. A mikroelektronika kialakulása: fontosabb mérföldkövek • A mikroelektronika anyagai: félvezetők, dielektrikumok, fémek rendszerezése • Félvezetők fizikája és az alaptulajdonságokra épülő alkalmazások: • Sávdiagram, Fermi-szint, kontaktpotenciál, Seebeck és Peltier effektusok, eszközök • Elektromos vezetés, adalékolás (diffúzió és implantáció), kompenzálás, hordozók koncentrációja, mozgékonyság, forró elektronok, Hall effektus, mágneses ellenállás, eszközök • Kontinuitási egyenlet, többségi és kisebbségi töltéshordozók • Félvezetők optikája, nemegyensúlyi folyamatok, fotovezetés, lumineszcencia, Gunn-effektus, eszközök • Felületi állapotok, térvezérlés, erre épülő eszközök • Nemlineáris elektromos jelenségek, plazmonika, eszközök • Dielektrikumok fizikája és az alaptulajdonságokra épülő alkalmazások: • Optikai tulajdonságok, lineáris és nemlineáris effektusok, eszközök • Polarizáció, piezo- piro-effektusok, MEMS és más eszközök • Passzív elemek kialakítása az integrált áramkörökben • A mikroelektronika félvezető alapelemei: p-n, heteroátmenet, fém-félvezető átmenet, MOS struktúra • A p-n átmenet kialakítása, típusai és működése • FET típusok, felépítés és működés • Méretkorlátozott, kvantum effektusok, eszközök • Nanoelektronika elemei • Gyakorlat: a fentiekben említett jelenségek, eszközök modell-számításai. • Irodalom: • Mikroelektronikai technológia, Szerk. Mojzes Imre, BME, 2007. • S.M.Sze, Semiconductor Devices: Physics and Technology, 2nd edition, Wiley, 2002. • Bársony István, Kökényesi Sándor, Funkcionális anyagok és technológiájuk. • Jegyzet, Debrecen, 2003. • Kirejev, Félvezetők fizikája • Szaklapok: Compound Semiconductors, Laser Focus World, Materials Today.

  3. Mil.USD 105 104 103 102 Gross world product elektronika autóipar félvezetők acélipar Villamosmérnök, alkalmazott fizika, anyagmérnök, informatikus… miért kell tanulni, tudni a félvezetők fizikáját, eszközöket, technológiát? Mert a félvezetők, a félvezető eszközök képezik a jelen technológiai korszak, az elektronikai ipar alapját (~10% a világ ipari termelésének !) 1980 1990 2000 2010

  4. Történelem: • Me-Semiconductor Braun • 1907 LED Round • Bipolar tranzistor Bardeen, Brattain, Shockley • p-n Shockley • 1954 Solar cell Chapin, Fuller, Pearson • Tunnel diode Esaki • MOSFET Kahng, Atalla • Heterostructure laser Kroemer, Alferov, Kazarinov • 1963 Gunn-diode(TED) Gunn • MESFET Mead • 1967 Nonvolatile memory Kahng, Sze • 1970 CCD Boyle, Smith • Mérési technika: TEM→SEM, EDX, XPS→SPM(AFM,MFM,)→SNOM • Méretek: mm → μm → nm

  5. Félvezetők technológiájának néhány fordulópontja:1798 Litográfia feltalálása1855 Fick diffúziós egyenletek1918 Czochralski feltalálja a kristálynövesztési módszert1925 Bridgman feltalálja a kristálynövesztési módszert1952 Pfann diffúzióval megváltoztatja a Si vezetését1957 Fotoreziszt, oxid maszkolás, epitaxia alkalmazása1958 Ionimplantáció (Shockley)1969 MOCVD1971 Száraz maratás, MBE(Cho) Intel processor1989 CMP(chemical-mechanical polishing)…… CAD(computer-aided design), IC-CÍM –computer- integrated manufacturing of integrated circuits

  6. Fém-félvezetó p-n A B B Heteroátmenet MOS Több mint 100. éve ismerik a félvezetőket, ma ~ 60 fő típus eszközt, ezek ~100 változatát ismerik és alkalmazzák. De csak négy fő (elektronikai) blokk különíthető el: + optoelektronikai: hullámvezető, diffrakciós rács, interferométer, lencse, tükör, csatoló + nanoelektronikai: kvantum gödör +mágneses struktúrák: memória, SQUID

  7. IC korszak: 1959- Kilby – 1 bipoláris tranzisztor, 3 ellenállás, 1 kondenzátor, Ge alap, huzal. 1960- Hoerny- „planáris” folyamat:oxid+Si, litográfia-diffúzió 1963- NMOS(n-csatorna)- CMOS (complementer MOSFET)(n-és p- MOS)-logikai elem (nem kell áram, csak a kapcsolásnál!) 1967- Dennard - DRAM (1 MOSFET+tároló kapacitás

  8. Fejlődési trendek:

  9. Félvezetők, dielektrikumok, fémek fizikája Rendszerezés elektromos vezetés szerint:

  10. Rendszerezés összetétel szerint: • Elemi félvezetők: Ge, Si, Se, Te, C • Vegyületfélvezetők: GaAs, GaP, GaN, InP, InSb, CdS, ZnS, CuInSe2, SbSI, GeSe2,……. • Dielektrikumok, szigetelők: SiO2, Al2O3, ZnO, LiNbO3, kerámia, teflon,… • Fémek, vezetők: Au, Pt, Cu, Al, Cr, C, …. • A határok elmosódnak… Fullerén - fém vagy félvezető tulajdonságok

  11. A különböző kristálytípusok elemi cellái. Fedorov: 6 kristályos rendszer, 14 rácstípus, 32 pontszimmetria

  12. Kristályszerkezet Köbös, BCC,FCC Gyémánt szerkezet: tetrahedrális (két FCC egymásban): Si, Ge GaAs: zincblende = gyémántrács, csak az egyik FCC III-as csoportból kap elemet(Ga), a másik – az V-ből (As) Miller indexek: (hkl) síkok

  13. z L 0 K y H x Azokat a legkisebb egész számokat, melyek aránya megegyezik a H’, K’ és L’ arányával h, k, l betűkkel jelöljük és Miller-indexeknek nevezzük. H=2, K=2, L=1, 1/H=H’, 1/K=K’, 1/L=L’ ½ : ½ : 1/1 : h,k,l =1,1,2

  14. Vegyi kötések: kovalens, ionos, molekuláris, fémes

  15. n=2 2s e n=3 n=1 2s e 2s e 2p e 6p e +14 Tetraedrális kötés a Si-ban: Si atom elektronjai:

  16. Az anyagok elektronszerkezete , A szabad elektron kinetikai energiája egy parabolávalírható le: de: 2a·sin90º=n, és k=2/ k=2/ az elektron hullámszáma

  17. E Eg p lh hh m*n = (d2E / dp2)-1

  18. Változó ellenállás-domén Gunn-GaAs =e(1n1+ 2n2) –átlag a két völgyből

  19. EFa Fermi-energia (Fermi-nívó, Fermi-szint) Ni fermion eloszlása Ei energia szerint Zi fáziscellában: .

  20. n(T, dE)=ρ(E) f(E) dE = dE k- Boltzmann-állandó, k= 1,38.10-23 J.K-1 n0=p0 !!! Nc = 2 [2πme*kT / (2π h)2]3/2effektív állapotsűrűség Majdnem tiltott sáv közepe!!!

  21. Amorf, szerves anyagok, félvezetők  ~ exp(-Eí /(2kT) ) !!! Alacsony hőmérséklet:  ~ exp(-(T/T0)1/4 )

  22. E 0 φ2 e- EF2 EF1 Kontaktpotenciálalakul ki olyan egymáshoz illesztett vezető vagy félvezető anyagok között, melyek Fermi-energiái különböznek. A fémekben az e- a kontakt felületen helyezkednek el, a félvezetőben-tértöltési tartományban (árnyékolási hossz). Termopárok : Pt-Pt0.9Rh0.1, Cu-konstantán(Cu0.6 Ni0.4), stb. Két fémvezetőt kapcsolunk össze az ábrán felvázolt elrendezés szerint: ha T1 = T2, a millivoltméter nem mutat feszültséget, a potenciálok kompenzálódnak. Ha az egyik kontaktust melegítjük, a másikat pedig nem vagy esetleg még hűtjük is, a millivoltméter feszültséget fog mutatni, melynek értéke: ahol AB az adott A és B anyagok egymásra vonatkoztatott Seebeck-együtthatója. Így működik a differenciális termoelem vagy más néven termopár. E φ1- φ2=V φ1 Cu-Konst: T=100C, V=4,28mV, Pt-PtRh: 0,64mV

  23. T1 T2 Elvileg egy huzal végein is van potenciál különbség, ha van hőmérséklet gradiens. Ehhez hozzáadódik a kontaktpotenciál, vagy azok különbsége különböző hőmérsékleten.Saját félvezető esetében: =-{k[(b-1)/(b+1)]/e}{2+ Eg/2kT} , ahol b=n/ pAlkalmazás: hőmérséklet mérése, áram fejlesztése Termogenerátor/hűtő hatásfoka: K= Q0/W, ahol Q0 a hő energia, W-az elnyelt vagy keletkezett villamos energia Kmax~T,, R (R-teljes ellenállás) Eszközök: két félvezető, pld. BiTe, PbTe, SnTe

  24. Hűtött tönk Hűtött tönk Fordított eset: fent melegítjük, lent hideg, terhelésre kapcsoljuk... n p n1 p1 Disszipált hő meleg

  25. Fordítottja: Peltier-effektus (hűtés-melegítés): QP=PABI, ahol PAB=ABT, PAB= - PBAFélvezetők esetében nagyobb lehet a hatásfok,még ha p, n vezetés is jelen van, de különböznek a mozgékonyságokAz átmeneten változik: a) az elektronok potenciális energiája -e b) átlagos kinetikus energiája, mivel ez függ a koncentrációtól és a hőmérséklettől (kvantum mechanika, Fermi statisztika)Tehát: folyik az áram a kontaktuson át és energiát nyel el vagy lead. • Eszközök: Hűtő elemek, hűtőgépek,...

  26. Peltier-Element for COOLING Type: QMC-06-004-15       One-Stage Element Dimensiones (mm)cold side02 x 04 hot side04 x 04 hight2.65+/- 0,2 Flatness and parallel variance is not more than (mm)0,02 Basic Characteristics: Maximum Temperature(operation temperature) (°C)150(higher temperature available) I max (A) 1.3 U max (V) 0.5 Q max (W) 0.36 DTmax(K) 73

  27. Single-Stage Module Specifications Part Number ImaxAmps VmaxVolts QmaxWatts DTmax0 C DimensionsL x W(mm) Heightmm ST-71-1.0-3.03.0 9.75 15.75 71 22.4 x 22.43.2 ST-127-1.0-3.0 3.0 17.5 28 71 30 x 30 3.95 ST-71-1.0-4.04.0 9.75 19.371 22.4 x 224. 32

  28. Peltier Thermoelectric Cooling Modules Peltier Modules PricelistHow to Order S = Silicon Sealed, HT = Max. Working temperature 225°C (non-HT types 138°C) Size 15x15x3.7mm (WxDxH), weight 6g Imax 8.5A, Umax 2.0V, R = 0.21 ohm, 17 couples TEC1-01708 ΔT max. = 68°C, Qmax (ΔT =0) 9.5W TEC1-01708SΔT max. = 67°C, Qmax (ΔT =0) 9.5W Size 20x20x3.3mm (WxDxH), weight 8g Imax 8.5A, Umax 3.7V, R = 0.40 ohm, 31 couples TEC1-03108 ΔT max. = 68°C, Qmax (ΔT =0) 17.6W Size 25x25x3.7mm (WxDxH), weight 11g Imax 8.5A, Umax 5.9V, R = 0.57 ohm, 49 couples TEC1-04908 ΔT max. = 68°C, Qmax (ΔT =0) 27.4W Size 30x30x4.9mm (WxDxH), weight 14g Imax 3.3A, Umax 8.5V, R = 1.94 ohm, 71 couples TEC1-07103 ΔT max. = 68°C, Qmax (ΔT =0) 18.0W TEC1-07103HTS ΔT max. = 67°C, Qmax (ΔT =0) 18.0W Size 30x30x3.8mm (WxDxH), weight 17g Imax 8.5A, Umax 8.5V, R = 0.85 ohm, 71 couples

  29. TEC1-01708 15x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couples US$ 3.55 TEC1-01708S Sealed 15x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couples US$ 3.59 TEC1-03108 20x20x3.3mm 8.5A/3.7V 17.6W 31 couples US$ 3.99 TEC1-04908 25x25x3.7mm 8.5A/5.9V 27.4W 49 couples US$ 4.49 TEC1-07103 30x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couples US$ 4.99 TEC1-07103HTS High temp. Seal. 30x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couples US$ 5.29 TEC1-07108 30x30x3.8mm 8.5A/8.5V 40W 71 couples US$ 4.99

More Related