instuderingsfrågor - chalmersfy.chalmers.se/oldusers/f9adh/mikrotekf1/fmi010... ·...

FMI010 Mikroteknologi: Verklighet och Visioner (F1) VT-03

– 1 –

Instuderingsfrågor

Introduktion: Moore’s lag; Mikro-/nanoteknologi; Visioner(Göran Wendin, 19/3-03)

1. Beskriv innebörden av "top down" och "bottom up" metoder och diskutera hur dekan samverka för att bygga framtidens elektronik

2. Ange ungefärliga storlekar för• en atom• ett kolnanorör (tjocklek)• ett cellmembran (cellvägg)• en transistor (minsta storlek i dagens chip)• en levande cell• en mikrolaser• ett hårstrå

3. Ange vilka vågekvationer som beskriver akustiska, mekaniska, elektromagnetiskaoch kvantmekaniska fenomen.

4. Beskriv formen på lösningen till vågekvationen för en svängande sträng.

5. Diskutera fysiken och funktionen hos Intels minsta fält-effekttransistor (FET)

6. Vad innebär kvantisering i en elektronisk vågledare?

7. Hur fungerar kolnanorör som transistorer och kretselement?

8. Beskriv några grundläggande egenskaper hos kvantdatorer.

9. Beskriv innebörden av Moore’s lag.

10. Diskutera hur frekvensen för en stav förändras när den skalas ner till mikrometer-och nanometerdimensioner.


– 2 –

Instuderingsfrågor

Mikroelektronik (Per Lundgren, 25/3-03)

1. Ge en kort etymologisk härledning av ordet ”transistor”!

2. Vad kallas ett idealt rent halvledarmaterial?

3. Vad heter den parameter som beskriver hur mycket energi som minst krävs för attskapa ett elektron-hålpar i ett halvledarmaterial?

4. Vilka är beteckningarna för de två olika sorternas dopatomer?

5. Ange tre halvledarmaterial!

6. Vem fick Nobelpris för att ha uppfunnit den integrerade kretsen?

7. Vad betyder akronymen CMOS och vad innebär den?

8. Vilken sorts komponent utgör en PN-övergång?


– 3 –

Instuderingsfrågor

Mikromekanik (Peter Enoksson, 26/3-03)

1. Give in short the most important process steps in chronological order in thefabrication of the cross-section below.

2. Why is it necessary to have a clean environment (few particles) and a floor that isnot in contact with other parts of the building in the process laboratory (doesn’tvibrate)?

3. What do the abbreviations MST, MEMS and MOEMS stand for?

4. Mention some of the most prominent benefits when using MEMS!

5. Mention two scaling effects that introduce difficulties or possibilities when thingsare miniaturized!

6. Mention three common MEMS-products.


– 4 –

Instuderingsfrågor

Fotonik och halvledarlasrar (Anders Larsson, 1/4-03)

1. Varför gör sig kvantmekaniska effekter mer gällande i optoelektroniskakomponenter än i mikrovågskomponenter ?

2. Sammansatta halvledare är vanliga i optoelektronik. Nämn två orsaker till detta.

3. Varför kan halvledare med indirekt bandgap inte användas för ljusemitterandekomponenter ?

4. Beskriv skillnaden mellan ljus som emitteras från en lysdiod och en laserdiod.

5. I en lysdiod används GaAs som det ljusemitterande materialet. GaAs har ettbandgap på 1.424 eV. Beräkna den ungefärliga våglängden för det emitteradeljuset och motsvarande frekvens.

6. Varför kan man modulera en laserdiod mycket snabbare än en lysdiod ?

7. Nämn ett tillämpningsområde för optiska modulatorer av typen Mach-Zehnder(interferometrisk modulator).

8. Vad är den väsentliga skillnaden mellan en laserdiod av typen VCSEL och enkonventionell s.k. kantemitterande laserdiod ? Varför är en VCSEL mertillverkningsvänlig ?


– 5 –

Instuderingsfrågor

Diffraktiv optik (Jörgen Bengtsson, 2/4-03)

1. Hur märker man på ett enkelt sätt att en ljusstråle utgörs av laserljus?

2. En vanlig lins har en sfärisk yta, men hur ser ytan ut hos ett diffraktivt optisktelement?

3. Vilket vågfenomen ligger bakom funktionen hos det diffraktiva optiska elementet(ledning: ger utvisning i ishockey)?

4. På vilket sätt skulle diffraktiv optik kunna göra så att digitalkameror inte behövernågon dyr fokuseringsmekanism?

5. Välj en av följande personer som haft betydelse för optikens utveckling ochbeskriv med något ord dennes insats för optiken:* Isaac Newton* Jean Augustin Fresnel* Max Planck* Albert Einstein* Jörgen Bengtsson

6. Vad är laserlitografi?

7. Vad lär oss Fresnel om att tänka självständigt?


– 6 –

Instuderingsfrågor

Enelektron-elektronik (Per Delsing, 29/4-03)

1. Hur låg måste temperaturen vara för att man ska kunna se enelektron-effekter?

2. Rita en enelektron-transistor och förklara hur den fungerar!

3. Vad gör en “Single electron turnstile”?

4. Varför är en vanlig enelektron-transistor ganska långsam?

5. Hur fungerar en RF-SET?

6. Vad är en kvantbit?

7. Varför är en kvantdator så snabb?

8. Vad är dekoherenstid?

9. Vilken är den mest avancerade kvantdator-beräkningen som gjorts hittills?


– 8 –

Lösningar till instuderingsfrågorna

Mikroelektronik (Per Lundgren, 25/3-03)

1. TRANSfer resISTOR, eller egentligen TRANSconductance varISTOR, påhittat påBell Labs 1948.

2. Intrinsiskt.

3. Bandgap.

4. Donatorer och Acceptorer.

5. Kisel, Galliumarsenid, Germanium, Kiselkarbid, Galliumnitrid, etc. ...

6. Jack Kilby.

7. ”Complementary Metal-Oxide-Semiconductor”. Innebär användning av såväl N-kanal som P-kanal MOSFET i en integrerad krets.

8. En diod eller likriktare.


– 9 –


Mikromekanik (Peter Enoksson, 26/3-03)

1. 1) Lithography and masking of the whole groove

2) Anisotropic etching

3) Lithography and masking of the deep groove

4) Anisotropic etchingand removal of mask

2. Clean and vibration free environment is especially important in the lithographyarea. Particles in the air can settle on the wafers and the lithographic masks andcause defects that cause failure in the final devices. Vibrations reduces theresolution of sensitive equipment such as mask-aligner and SEM (ScanningElectron Microscope.

3. MST = Micro Structure Technology.MEMS = Micro-Electro-Mechanichal Systems.MOEMS = Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems.

4. * Low cost due to batch fabrication and miniaturization.* Integration of electronics and mechanics on the same chip reduce for instance capactivie-parasitics and electrical losses.

5. * The relationship between e.g. length-area-volume (length scales as L; area as L2 and volume as L3) in the microscopic world is not what we are used to in the macroscopic world, so things tend to behave in a different way.* Friction and wear is a big problem as well as sticking.* Small apparent inertia and quick thermal transport are two effects with possibilities.* Electrostatic forces are strong in the microscopic world and give problems (sticking) as well as possibilities (actuation).

6. * Read/write heads for magnetic storage (hard-disks).* Ink-jet print heads.Pressure and force sensors.Gyroscopes and accelereometers for automotive applications.Mirror arrays in projectors.Mircro-fluidic systems.SAW filters.

Mask Material


– 10 –


Fotonik och halvledarlasrar (Anders Larsson, 1/4-03)

1. Båda typer av komponenter arbetar med elektromagnetisk strålning. Denna ärkvantiserad i form av fotoner och fotonenergin är direkt proportionell mot denelektromagnetiska strålningens frekvens. Optiska signaler har ca. 5 tiopotenserhögre frekvens och därmed lika mycket större fotonenergi. Därför ärkvantiseringen av den elektromagnetiska strålningen av större praktisk betydelse.

2. För ljusemitterande komponenter behövs direkt bandgap. Många sammansattahalvledare har direkt bandgap. De vanligaste elementära halvledarna (Si, Ge) hardock indirekt bandgap.Med sammansatta halvledare kan materialblandningen och därmed bandgapetsstorlek varieras. På så sätt kan man välja den våglängd vid vilken komponentenskall arbeta.

3. I indirekta halvledare har elektroner och hål olika impuls. Eftersom både energioch impuls måste bevaras då en elektron och ett hål rekombinerar, och fotoner harförsumbar impuls, så är indirekta halvledare mycket ineffektiva förfotongenerering.

4. I en lysdiod genereras fotoner (ljus) genom spontan emission. Dessa fotoner haren viss spridning i frekvens (våglängd), olika utbredningsriktning och godtyckligfas. Detta kallas inkoherent ljus.

5. I en laserdiod genereras fotoner (ljus) genom stimulerad emission. Dessa fotonerhar samma frekvens (våglängd), samma utbredningsriktning och samma fas. Dettakallas koherent ljus.Fotonenergin, E, bestäms av bandgapets storlek. Fotonens frekvens:

THzh

EhE 344==fi= nn

Motsvarande våglängd: nmc

870==n

l

6. Snabbheten bestäms av de injicerade elektronerna och hålens livslängd. I enlaserdiod är denna mycket kortare eftersom laddningarna rekombinerar genomstimulerad emission. Därför kan laserdioden moduleras snabbare.

7. Snabba fiberoptiska kommunikationssystem där man genom att använda enmodulator istället för en direktmodulerad laserdiod kan producera spektralt renareljuspulser. Man kan då överföra högre datatakter över längre sträckor.

8. En VCSEL emitterar ljus från chipets yta. En kantemitter emitterar från en klyvdkant på chipet. En kantemitter måste därför klyvas innan den fungerar och kan


– 11 –

testas. En VCSEL däremot kan testas direkt på wafer vilket sänkertillverkningskostnaden.


– 12 –


Diffraktiv optik (Jörgen Bengtsson, 2/4-03)

1. Genom olika interferenseffekter, t.ex. specklar.

2. Den kan faktiskt se ut hur som helst, men i allmänhet mycket detaljrik med mångasmå strukturer.

3. Interferens, alternativt superposition (som dock ej ger utvisning).

4. Diffraktiva optiken i samarbete med elektronisk efterbearbetning av bilden ger enskarp bild.

5. * Isaac Neston: t.ex. spektraluppdelning av vitt ljus; partikelteori för ljus.* Jean Augustin Fresnel: t.ex. vågteori för ljus; teori för polarisation.* Max Planck: t.ex. kvantiseringen av ljusenergi (”fotonen”).* Albert Einstein: t.ex. fotoelektrisk effekt; förutsade lasern.* Jörgen Bengtsson: Felaktigt val!

6. En metod att ”rita” mycket små strukturer med hjälp av laserljus.

7. Man måste tänka själv. Även de största auktoriteterna på ett område kan ha fel!


– 13 –


Enelektron-elektronik (Per Delsing, 29/4-03)

1. Temperaturen måste uppfylla

†

T <<e2

2CkB

, där C är kapacitansen för

tunnelövergången.

2. Det kostar energi att addera laddning tillmittön på en enelektron-transistor, och manmåste lägga på en viss spänning övertransistorn innan strömmen kan börja flyta.Detta ger upphov till en olinjär ström-spännings-karakteristik. Genom att kopplaladdning till mittön via en kapacitivt kopplad”gate” kan man styra den extra energi detkostar att lägga laddning på ön. Därmed kanman också styra strömmen genomtransistorn.

3. Med en ”single electron turnstile” kan man tvinga enstaka elektroner genom enkrets genom att lägga en periodisk signal med frekvensen,

†

f , på en ”gate”-elektrod. Man får då en väldefinierad ström som ges av

†

I = e f .

4. Enelektron-transistorn har en hög impedans och därför tar det lång tid förkomponenten att ladda upp den kapacitans som finns på utgången av transistorn,t.ex. en lång ledning.

5. En radiofrekvens-signal skickas mot en resonanskrets, som enelektron-transistornär inkopplad i. När laddningen på ”gaten” av transistorn varierar, så varierardämpningen hos resonanskretsen, och därmed även reflektionen av radiofrekvens-signalen.

6. En kvantbit är den grundläggande byggstenen för en kvantdator. En kvantbit är ettkvantmekaniskt tvånivåsystem.

7. I en kvantdator kan ett register av kvantbitar representera många (2N) tal samtidigt.När man gör en operation på registret utför man en beräkning på samtliga tal somregistret representerar.

8. Den tid under vilken en kvantbit behåller sina kvantmekaniska egenskaper, dvsden tid innan kvantbiten blir klassisk.

9. En faktorisering av talet 15, dvs att men räknat ut att 15=3*5.

†

Vg = Qg Cg

I

C

Cgate

source

drain†

Cg

instuderingsfrågor - chalmersfy.chalmers.se/oldusers/f9adh/mikrotekf1/fmi010... ·...

Documents