ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 1.

Az előadások a következő témára: "ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 1."— Előadás másolata:

1 ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 1.
1. Elektronikai technológia: félvezetők és félvezető eszközök technológiája, gyártása. 2. Fémek, félvezetők, dielektrikumok : rendszerezés összetétel, szerkezet, tulajdonságok és alkalmazások alapján. 3. Anyagok elektronszerkezete, adalékolása, elektromos vezetése, optikai, mágneses paraméterei.

2 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 105 104 103 102 elektronika autóipar félvezetők acélipar Gross world product

3 Gyártási (manufacturing) rendszer:
alapanyagok végtermék Gyártási rendszer Félvezetők alkalmazásával történő gyártás esetében a bemenő anyagok: félvezetők, adalékanyagok, fémek, dielektrikumok. A kimenő : eszközök, IC, nyomtatott áramkörök, és a végtermék: PC, TV, mobil… Félvezetők gyártásában, technológiájában találkozunk kristálynövesztéssel, rétegleválasztással, oxidációval, litográfiával, diffúzióval, maratással, implantációval, … Mindez beletartozik egy nagyobb rendszerbe: tervezés, gyártás, integrálás, szerelés, minőségbiztosítás,…ár,szállítás, szerviz.

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

5 Termelési folyamatok története: 1800-1850
Termelési folyamatok története: Cserélhető alkatrészek koncepciója F.Taylor bevezeti a tudományos management elveit Ford bevezeti a szerelőszalagot ComputerNumericControl (CNC) Statisztikus kísérleti tervezés Félvezetők technológiájának néhány fordulópontja: Litográfia feltalálása Fick diffúziós egyenletek Czochralski feltalálja a kristálynövesztési módszert Bridgman feltalálja a kristálynövesztési módszert Pfann diffúzióval megváltoztatja a Si vezetését Fotoreziszt, oxid maszkolás, epitaxia alkalmazása Ionimplantáció (Shockley) MOCVD Száraz maratás, MBE(Cho) Intel processor CMP(chemical-mechanical polishing) …… CAD(computer-aided design), IC-CÍM –computer-integrated manufacturing of integrated circuits IC-CIM Gyártástudomány Félvezetők technológiája 1980

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 A B Heteroátmenet MOS + optoelektronikai: hullámvezetö, 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 Fejlődési trendek:

8 Rendszerezés elektromos vezetés szerint:
Félvezetők, dielektrikumok, fémek fizikája Rendszerezés elektromos vezetés szerint: Rendszrezés összetétel és alkalmazás 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, Mágneses anyagok: Fe, Ni, Co,Fe-Ni,.. A határok elmosódnak…

9 vagy azok keverékei - ötvözetek , vagy azok vegyületei
Tiszta kémiai elemek vagy azok keverékei - ötvözetek , vagy azok vegyületei Fizikai-kémiai vagy termodinamikai rendszer: az az elkülönített anyag(rész) vagy anyagok keveréke, melynek térfogata V, hőmérséklete T és P nyomás alatt van. Az a rendszer, amely nem tartalmaz belső határfelületeket, amelyek mentén a tulajdonságok változnának, az összetétel és a szerkezet szempontjából homogén. Ha vannak az anyagrészeket elosztó felületek, akkor az anyag heterogén. A szerkezet homogén részeit, vagy azok együttesét, amelyeken belül az összetétel és a tulajdonságok azonosak, s amelyek csak az elválasztó határfelületen változnak, fázisnak nevezzük. Egy halmazállapoton belül az anyag létezhet akár több fázisban is (szén!) Egyszerű esetben a rendszer kémiai elemekből, mint összetevőkből épül fel, melyek külön-külön is létezhetnek. A rendszer összetevői (komponensei) viszont lehetnek kémiai elemek és vegyületek is, ezért a komponensek száma egyenlő vagy kisebb az összetevők számánál.

10 Amorf anyagok is képezhetnek szilárdoldatot (SexTe1-x).
Kémiai vegyület - olyan, kémiai kötésekkel rendelkező anyag, melyek szerkezete és tulajdonságai különböznek az alkotó elemekétől, és amelyekben az elemek aránya állandó (sztöchiametrikus összetétel : GaAs, NaCl, BaTiO3). Minden más összetett fázist a fémes rendszerekben átmeneti fázisnak hívunk. A fémek vegyületeit még intermetallikus fázisnak is nevezzük (CuS, AgBr, PbSe,…) Szilárdoldatok azok a változó összetételű fázisok, amelyekben az egyik komponens atomjai a másik komponens kristályrácsában helyezkednek el, de nem változtatják meg annak szimmetriáját (AlxGa1-x As, InxGa1-xAsyP1-y). Amorf anyagok is képezhetnek szilárdoldatot (SexTe1-x). A szilárdoldatokban az oldódó atomok a kristályrács atomjai közé (interstíciálisan), vagy a rácsatomok helyére (szubstitúciósan) épülhetnek be. Az utóbbi esetben a szilárdoldatban a komponensek oldhatósága egymásban lehet korlátozott vagy korlátlan. A korlátlan oldhatóságnak meglehetősen szigorú feltételei vannak: a két fémkomponens atomsugara legfeljebb 15%-kal térhet el egymástól. Ezen kívül a rácstípusoknak is, maguknak az atomok elektronszerkezetének is hasonlítania kell. A teljes oldhatóság a Fe-Cr, Fe-Co, Cu-Ni és néhány más rendszerben ismert: Se-Te,…)

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

12 A különböző kristálytípusok elemi cellái.

13 Azokat a legkisebb egész számokat, melyek aránya megegyezik a H’, K’ és L’ arányával h, k, l betűkkel jelöljük és Miller-indexeknek nevezzük. 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: n=3 n=2 2s e n=1 2s e 2s e 2p e +14

16

17 egykristály -- polikristály
Kristályhibák egykristály polikristály kristályhibák (dinamikus és statikus) ponthibák (0-dimenzió) térbeli hibák (1,2,3-dimenziós) vakancia, atomhiány intersticiális vagy rácsközi atom (adalékolás!!!) diszlokáció - szabályos rétegződésű atomsorok elcsúszása pórusok, repedések, szemcsehatárok, más fázisok

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

19

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

21 Adalékolás

22

23 A jó vezető réz (balra) és ezüst (jobbra) fajlagos ellenállásának megnövekedése a beépült idegen szennyező-atomok következtében.

24 Ellenállás hőmérsékletfüggése:
Cu-Ni ötvözetek fajlagos ellenállása (1) és az ellenállás hőmérsékleti együtthatója (2).

25 Au – Ag ötvözet (keverékkristály vagy szilárd oldat) fajlagos ellenállása (a)
és Cu – Au ötvözet fajlagos ellenállása a vegyületképzés (Cu3Au, CuAu) következtében fellépő anomális eloszlással (b).

26

27 Mágneses anyagok: A mágneses momentumok
A doménok térbeli képződése a rendszer összenergiáját minimalizálja A Bloch-falban a mágnesezettségi irány megváltozása sok dipóluson elosztva valósul meg dBW(Co)  60 nm (kb. 200 atomsík) A mágneses momentumok párhuzamos irányba, ellentétes irányba állása Ferromágnesesség: Az atomi mágneses momentumok a Weiss-féle doméneken belül maguktól párhuzamosra állnak be

28

29 Mágneses permeabilitás

30 Ferrimágneses anyagok

31 Polimerek, gyanták A polimer szénhidrogének között a legismertebbek:
a polietilén , a polisztirol és a polivinil-klorid, illetve poli(tetrafluor-etilén)-teflon H H C C H H    C  C    H Cl n vinil-klorid (H2C=CHCl) polimerizációja F F F     C  C  C  F F F n Szilíciumszerves polimerek Epoxigyanták molekulái epoxi-gyűrűket tartalmaznak: O / \ H2C  CH        Si O SiOSi Paraméterek: lágyulási T, keménység, vezetőképesség, oldékonyság, képlékenység

32

33 Kalkogenidek: S,Se, Te-tartalmú anyagok
Üvegek és amorf rétegek Kvarcüveg: SiO2 Szilikátüvegek: kvarchomok SiO2, szóda Na2CO3, hamuzsír K2CO3, mészkő CaCO3, dolomit CaCO3·MgCO3, nátriumszulfát Na2SO4, bórax Na2B4O7, földpát Al2O3·6SiO2·K2O és további anyagok. A szilikátüvegek színét a megfelelő adalékok adják: a CaO kék színt, a Cr2O3 zöld, a MnO2 barna, az UO3 sárga színt kölcsönöz az üvegnek. (Edények:: SiO2 -55 %, Na2O- 16%, K2O- 2%, B2O3 2%, Al2O3- 19%, TiO2 4%) Üvegkerámia: SiO2 -56%, MgO- 15%, Al2O3- 20%, TiO2 -9% Borátok, germanátok, fluoridok, Kalkogenidek: S,Se, Te-tartalmú anyagok Az amorf Si:H rétegekhez hasonlóan előállíthatók hidrogénezett szénrétegek (C:H), illetve bonyolultabb a-Si1-xCx:H, a-SixN1-x:H, a-Si1-xGex:H rétegek, rétegstruktúrák is.