Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Mikroelektronika 1. 1.A mikroelektronika kialakulása: fontosabb mérföldkövek 2. A mikroelektronika anyagai: félvezetők, dielektrikumok, fémek rendszerezése.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Mikroelektronika 1. 1.A mikroelektronika kialakulása: fontosabb mérföldkövek 2. A mikroelektronika anyagai: félvezetők, dielektrikumok, fémek rendszerezése."— Előadás másolata:

1 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.

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, S.M.Sze, Semiconductor Devices: Physics and Technology, 2nd edition, Wiley, Bársony István, Kökényesi Sándor, Funkcionális anyagok és technológiájuk. Jegyzet, Debrecen, Kirejev, Félvezetők fizikája Szaklapok: Compound Semiconductors, Laser Focus World, Materials Today.

3 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 elektronika autóipar félvezetők acélipar Gross world product

4 Történelem: 1874 Me-SemiconductorBraun 1907 LEDRound 1947 Bipolar tranzistorBardeen, Brattain, Shockley 1949 p-nShockley 1954 Solar cellChapin, Fuller, Pearson 1958 Tunnel diodeEsaki 1960 MOSFETKahng, Atalla 1963 Heterostructure laserKroemer, Alferov, Kazarinov 1963 Gunn-diode(TED)Gunn 1966 MESFETMead 1967 Nonvolatile memoryKahng, Sze 1970 CCDBoyle, Smith Mérési technika: TEM→SEM, EDX, XPS→SPM(AFM,MFM,)→SNOM Méretek: mm → μm → nm

5 Félvezetők technológiájának néhány fordulópontja: 1798Litográfia feltalálása 1855Fick diffúziós egyenletek 1918Czochralski feltalálja a kristálynövesztési módszert 1925Bridgman feltalálja a kristálynövesztési módszert 1952Pfann diffúzióval megváltoztatja a Si vezetését 1957Fotoreziszt, oxid maszkolás, epitaxia alkalmazása 1958Ionimplantáció (Shockley) 1969MOCVD 1971Száraz maratás, MBE(Cho) Intel processor 1989CMP(chemical-mechanical polishing) ……CAD(computer-aided design), IC-CÍM –computer- integrated manufacturing of integrated circuits

6 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 AB B HeteroátmenetMOS + optoelektronikai: hullámvezető, diffrakciós rács, interferométer, lencse, tükör, csatoló + nanoelektronikai: kvantum gödör +mágneses struktúrák: memória, SQUID

7 IC korszak: Kilby – 1 bipoláris tranzisztor, 3 ellenállás, 1 kondenzátor, Ge alap, huzal Hoerny- „planáris” folyamat:oxid+Si, litográfia-diffúzió NMOS(n-csatorna)- CMOS (complementer MOSFET)(n-és p- MOS)-logikai elem (nem kell áram, csak a kapcsolásnál!) 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, CuInSe 2, SbSI, GeSe 2,……. Dielektrikumok, szigetelők: SiO 2, Al 2 O 3, ZnO, LiNbO 3, 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 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 H K 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

14 Vegyi kötések: kovalens, ionos, molekuláris, fémes

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

16

17 k=2  / az elektron hullámszáma A szabad elektron kinetikai energiája egy parabolával írható le :, de: 2a·sin90º=n, és k=2  / Az anyagok elektronszerkezete

18

19 lh hh p E m * n = (d 2 E / dp 2 ) -1 EgEg

20 Változó ellenállás- domén Gunn-GaAs  =e(  1 n 1 +  2 n 2 ) –átlag a két völgyből

21 E F a Fermi-energia (Fermi-nívó, Fermi- szint). N i fermion eloszlása E i energia szerint Z i fáziscellában:

22 n(T, dE)=ρ(E) f(E) dE = dE k- Boltzmann-állandó, k= 1, J.K -1 n 0 =p 0 !!! N c = 2 [2 π m e * kT / (2π h) 2 ] 3/2 effektív állapotsűrűség Majdnem tiltott sáv közepe!!!

23 Amorf, szerves anyagok, félvezetők  ~ exp(-E í /(2kT) ) !!! Alacsony hőmérséklet:  ~ exp(-(T/T 0 ) 1/4 )

24 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-Pt 0.9 Rh 0.1, Cu-konstantán(Cu 0.6 Ni 0.4 ), stb. Két fémvezetőt kapcsolunk össze az ábrán felvázolt elrendezés szerint: ha T 1 = T 2, 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 φ1φ1 φ 1 - φ 2 =V 0 E F1 E F2 φ2φ2 e-e- E Cu-Konst:  T=100C, V=4,28mV, Pt-PtRh: 0,64mV

25 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+ E g /2kT}, ahol b=  n /  p Alkalmazás: hőmérséklet mérése, áram fejlesztése T1T1 T2T2 Eszközök: két félvezető, pld. BiTe, PbTe, SnTe Termogenerátor/hűtő hatásfoka: K= Q 0 /W, ahol Q 0 a hő energia, W-az elnyelt vagy keletkezett villamos energia K max ~  T, , R (R-teljes ellenállás)

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

27 Fordítottja: Peltier-effektus (hűtés-melegítés): Q P =P AB I, ahol P AB =  AB T, P AB = - P BA 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,...

28

29 Peltier-Element for COOLING Type: QMC 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

30 Single-Stage Module Specifications Part Number I max Amps V max Volts Q max Watts DT max 0 C DimensionsL x W(mm) Height mm ST ST x ST ST x ST ST x

31 Peltier Thermoelectric Cooling Modules Peltier Modules PricelistPeltier Modules Pricelist How to OrderHow 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 TEC ΔT max. = 68°C, Qmax (ΔT =0) 9.5W TEC S 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 TEC 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 TEC 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 TEC ΔT max. = 68°C, Qmax (ΔT =0) 18.0W TEC HTS 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

32 TEC x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couples US$ 3.55 TEC S Sealed 15x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couples US$ 3.59 TEC x20x3.3mm 8.5A/3.7V 17.6W 31 couples US$ 3.99 TEC x25x3.7mm 8.5A/5.9V 27.4W 49 couples US$ 4.49 TEC x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couples US$ 4.99 TEC HTS High temp. Seal. 30x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couples US$ 5.29 TEC x30x3.8mm 8.5A/8.5V 40W 71 couples US$ 4.99


Letölteni ppt "Mikroelektronika 1. 1.A mikroelektronika kialakulása: fontosabb mérföldkövek 2. A mikroelektronika anyagai: félvezetők, dielektrikumok, fémek rendszerezése."

Hasonló előadás


Google Hirdetések