mikroelektronika 1
DESCRIPTION
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 . - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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:
– 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.
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
Mil.USD
105
104
103
102
elektronika
autóipar
félvezetők
acélipar
Gross world product
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 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
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 p-n
A BB
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 tetragonális romboéderes
ortorombikus monoklin 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.
0
x
y
z
HK
L
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
Ekvivalens rács-síkok
Koordinációs szám: 4 sp – hibridpályák3
A gyémántszerkezetű szén (izomorf kristályok: Si, Ge)
alapállapothibridizált
állapot
Az elektronok energiasémájaaz elemiC-ben
a gyémántban
Vegyi kötések: kovalens, ionos, molekuláris, fémes
Tetraedrális kötés a Si-ban:
Si atom elektronjai:
+14
n=1
2s e
n=2
2s en=3
2s e 2p e6p e
Ionos kötés
I.+VII. NaClII.+VI. MgO Vegyület félvezetők:
GaAsInSbSiC
Molekulák: CH
Elemi félvezetők:C, Si, Ge
4
Elemi fémekoszlopokelemeinekvegyületei
Kovalens kötés Fémes kötés
m
k
m
pE
22
222
k=2/ az elektron hullámszáma
A szabad elektron kinetikai energiája egy parabolával írható le:
,
de: 2a·sin90º=n, és k=2/
,...3,2,1 na
nk
Az anyagok elektronszerkezete
• Vegyértéksáva legfelső, (vegyérték)elektronokkal teljesen telített energiasáv (T0= 0 K)
EV:a vegyértéksáv felső szélének energiaszintje
• Vezetési sáva legalsó üres, vagy (vezetési)elektronokkal csak részben telített energiasáv (T0= 0 K)
Ec: a vezetési sáv alsó szélének energiaszintje
• Tiltott sáv EgEV és EL közötti távolság, azon energiaértékek, amelyeket elektronok nem foglalhatnak el
• Fermi-energiaszint EFA Fermi-energiaértéktől kisebb energiájú pályák nagy valószínűséggel fel vannak töltve elektronokkal. (T0= 0 K)
vezetési sáv
vegyértéksáv
vezetési sávvezetési sáv
vegyértéksávvegyértéksáv
vezetési sáv
Vezetők:
Félvezetők:Szigetelők:
Eg<3 eV* * *
Eg>3 eVEc
Ec
EV EV
EF EF
E
E
lh hh
p
E
m* n = (d2E / dp2)-1
Eg
Változó ellenállás-domén
Gunn-GaAs =e(1n1+ 2n2) –átlag
a két völgyből
kT
EEEf
Fexp1
1
EF a Fermi-energia (Fermi-nívó, Fermi-
szint)
kT
EA Fexp
.
N
)exp(1kTE
ZN
i
ii
Ni fermion eloszlása Ei energia szerint Zi fáziscellában:
2123
3
21
23
2
2
22
48
2Em
hE
h
mVE
n(T, dE)=ρ(E) f(E) dE = dE
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
kT
EENn FC
C exp0
kT
EENp VF
V exp0
kT
ENNnpn g
VCi 2exp2
1
00
C
VVCF N
NkTEEE ln
22
2123
32
4Em
h
kTEE Fexp1
1
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.
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.
12 TTU ABT
E
φ1
φ1- φ2=V0
EF1EF2
φ2 e-
E
Cu-Konst: T=100C, V=4,28mV, Pt-PtRh: 0,64mV
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 fejlesztéseT1
T2
Eszközök: két félvezető, pld. BiTe, PbTe, SnTe
Termogenerátor/hűtő hatásfoka:
K= Q0/W,
ahol Q0 a hő energia, W-az elnyelt vagy keletkezett villamos energia
Kmax~T,, R (R-teljes ellenállás)
Hűtött tönk
Disszipált hő
n p
n1 p1
Hűtött tönk
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 04hot side 04 x 04hight 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) 1.3U max (V) 0.5Q max (W) 0.36DTmax(K) 73
Single-Stage Module Specifications Part Number Imax Amps VmaxVolts QmaxWatts DTmax
0 C DimensionsL x W(mm) Height mm
ST-71-1.0-3.0 3.0 9.75 15.75 71 22.4 x 22.4 3.2 ST-127-1.0-3.0 3.0 17.5 28 71 30 x 30 3.95 ST-71-1.0-4.0 4.0 9.75 19.3 71 22.4 x 22 4. 32
Peltier Thermoelectric Cooling ModulesPeltier 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
TEC1-0170815x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couplesUS$ 3.55TEC1-01708SSealed 15x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couplesUS$ 3.59TEC1-0310820x20x3.3mm 8.5A/3.7V 17.6W 31 couplesUS$ 3.99TEC1-0490825x25x3.7mm 8.5A/5.9V 27.4W 49 couplesUS$ 4.49TEC1-0710330x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couplesUS$ 4.99TEC1-07103HTSHigh temp. Seal. 30x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couplesUS$ 5.29TEC1-0710830x30x3.8mm 8.5A/8.5V 40W 71 couplesUS$ 4.99