Transcript Document

Mikroelektronika 1.
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.
•
•
•
A mikroelektronika kialakulása: fontosabb mérföldkövek
A mikroelektronika anyagai: félvezetők, dielektrikumok, fémek rendszerezése
Félvezetők fizikája és az alaptulajdonságokra épülő alkalmazások:
–
–
–
–
–
–
•
Dielektrikumok 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
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.
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 !)
Mil.USD
105
Gross world product
104
elektronika
autóipar
félvezetők
103
acélipar
102
1980
1990
2000
2010
Történelem:
1874
Me-Semiconductor
Braun
1907
LED
Round
1947
Bipolar tranzistor
Bardeen, Brattain, Shockley
1949
p-n
Shockley
1954
Solar cell
Chapin, Fuller, Pearson
1958
Tunnel diode
Esaki
1960
MOSFET
Kahng, Atalla
1963
Heterostructure laser
Kroemer, Alferov, Kazarinov
1963
Gunn-diode(TED)
Gunn
1966
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
Félvezetők technológiájának néhány fordulópontja:
1798
Litográfia feltalálása
1855
Fick diffúziós egyenletek
1918
Czochralski feltalálja a kristálynövesztési
módszert
1925
Bridgman feltalálja a kristálynövesztési módszert
1952
Pfann diffúzióval megváltoztatja a Si vezetését
1957
Fotoreziszt, oxid maszkolás, epitaxia alkalmazása
1958
Ionimplantáció (Shockley)
1969
MOCVD
1971
Száraz maratás, MBE(Cho) Intel processor
1989
CMP(chemical-mechanical polishing)
……
CAD(computer-aided design), IC-CÍM –computerintegrated manufacturing of integrated circuits
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:
Fém-félvezetó
A
p-n
B
Heteroátmenet
MOS
+ optoelektronikai:
hullámvezető, diffrakciós rács, interferométer, lencse, tükör, csatoló
+ nanoelektronikai:
kvantum gödör
+mágneses struktúrák:
memória, SQUID
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
Fejlődési trendek:
Félvezetők, dielektrikumok, fémek fizikája
Rendszerezés elektromos vezetés szerint:
• 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
köbös
hexagonális
ortorombikus
tetragonális
monoklin
romboéderes
triklin
A különböző kristálytípusok elemi cellái.
Fedorov: 6 kristályos rendszer, 14 rácstípus, 32 pontszimmetria
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
Azokat a legkisebb egész számokat, melyek aránya megegyezik a H’, K’ és L’
arányával h, k, l betűkkel jelöljük és Miller-indexeknek nevezzük.
Ekvivalens rács-síkok
z
L
0
K
H
x
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
y
Vegyi kötések: kovalens, ionos, molekuláris, fémes
A gyémántszerkezetű szén (izomorf kristályok: Si, Ge)
alapállapot
Koordinációs szám: 4
sp – hibridpályák
3
hibridizált
állapot
Az elektronok energiasémája
az elemi
a gyémántban
C-ben
Tetraedrális kötés a Si-ban:
Si atom elektronjai:
n=2
n=3
2s e
n=1
6p e
2s e
+14
2s e
2p e
Ionos kötés
I.+VII. NaCl
II.+VI. MgO
oszlopok
elemeinek
vegyületei
Kovalens kötés
Vegyület félvezetők:
GaAs
InSb
SiC
Fémes kötés
Molekulák: CH 4
Elemi félvezetők:
C, Si, Ge
Elemi fémek
Az anyagok elektronszerkezete
,
A szabad elektron kinetikai energiája egy parabolával írható le:
p 2  2k 2
E

2m
2m
k=2/
az elektron hullámszáma
de:
2a·sin90º=n,
k
n
a
és k=2/
n  1,2,3,...
Vezetők:
•
E
a legfelső, (vegyérték)elektronokkal teljesen telített
energiasáv (T0= 0 K)
EV:a vegyértéksáv felső szélének energiaszintje
vezetési sáv
EF
vezetési sáv
vegyértéksáv
Félvezetők:
E
EF
•
•
vezetési sáv
***
Ec
EV
vegyértéksáv
•
Eg>3 eV
EV
vegyértéksáv
Tiltott sáv Eg
EV és EL közötti távolság, azon energiaértékek,
amelyeket elektronok nem foglalhatnak el
Ec
Eg<3 eV
Vezetési sáv
a legalsó üres, vagy (vezetési)elektronokkal csak
részben telített energiasáv (T0= 0 K)
Ec: a vezetési sáv alsó szélének energiaszintje
Szigetelők:
vezetési sáv
Vegyértéksáv
Fermi-energiaszint EF
A Fermi-energiaértéktől kisebb energiájú pályák
nagy valószínűséggel fel vannak töltve
elektronokkal. (T0= 0 K)
E
Eg
p
lh
hh
m* n = (d2E / dp2)-1
Változó ellenállásdomén
Gunn-GaAs
=e(1n1+ 2n2) –átlag
a két völgyből
EF a Fermi-energia (Fermi-nívó, Fermiszint)
Ni fermion eloszlása Ei energia szerint Zi
fáziscellában:
Ni 
1
f E  
 E  EF 
1  exp

 kT 
Zi
Ei
1  exp( )
kT
 E 
A  exp  F 
 kT 
N
.
V
 E   2
2
 8 m 
 2 
 h 
2
32
E
12
4
32
 3 2m  E 1 2
h
1
4
32 12
n(T, dE)=ρ(E) f(E) dE = 3 2m  E
 E  EF  dE
h
1  exp


 EC  E F 
n0  N C exp 

kT 

kT

 E F  EV 
p0  NV exp 

kT


k- Boltzmann-állandó, k= 1,38.10-23 J.K-1
n0=p0 !!!
Nc = 2 [2 π me* kT / (2π h)2]3/2 effektív állapotsűrűség
EC  EV kT  NV 

EF 

ln
2
2  NC 
n0  p0  ni  N C NV 
1
2
 Eg 

exp 
 2kT 
Majdnem tiltott sáv közepe!!!
Amorf, szerves anyagok, félvezetők
 ~ exp(-Eí /(2kT) ) !!! Alacsony hőmérséklet:  ~ exp(-(T/T0)1/4 )
Kontaktpotenciál alakul ki olyan egymáshoz illesztett vezető vagy
félvezető anyagok között, melyek Fermi-energiái különböznek.
E
0
E
φ1
φ2
EF1
EF2
φ1- φ2=V
e-
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:
Cu-Konst: T=100C, V=4,28mV, Pt-PtRh: 0,64mV
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:
UT   AB T2  T1 
ahol AB az adott A és B anyagok egymásra vonatkoztatott Seebeck-együtthatója.
Így működik a differenciális termoelem vagy más néven termopár.
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/ p
Alkalmazás: hőmérséklet mérése, áram fejlesztése
T1
Termogenerátor/hűtő hatásfoka:
K= Q0/W,
T2
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
Hűtött tönk
Hűtött tönk
n
n1
p
p1
Disszipált hő
meleg
Fordított eset:
fent melegítjük,
lent hideg,
terhelésre kapcsoljuk...
• Fordítottja: Peltier-effektus (hűtés-melegítés):
QP=PABI, ahol
PAB=ABT,
PAB= - PBA
Félvezetők esetében nagyobb lehet a hatásfok,
még ha p, n vezetés is jelen van, de különböznek a mozgékonyságok
Az 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,...
Peltier-Element for COOLING
Type:
QMC-06-004-15
One-Stage Element
Dimensiones (mm) cold side 02 x 04
hot side 04 x 04
hight 2.65+/- 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
Single-Stage Module Specifications
Part Number Imax Amps VmaxVolts QmaxWatts DTmax0 C DimensionsL x W(mm) Height mm
ST-71-1.0-3.0 3.0
ST-127-1.0-3.0 3.0
ST-71-1.0-4.0 4.0
9.75
17.5
9.75
15.75
28
19.3
71
71
71
22.4 x 22.4
30 x 30
22.4 x 22
3.2
3.95
4. 32
Peltier Thermoelectric Cooling Modules
Peltier Modules Pricelist How 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
TEC1-01708S ΔT 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
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