MIKROELEKTRONIKA 2. - Elektromos vezetés, , hordozók koncentrációja, mozgékonyság, forró elektronok, Gunn effektus, eszközök Adalékolás (növesztésnél, diffúzió és implantáció) Kompenzálás Kontinuitási egyenlet, töbségi és kisebbségi töltéshordozók Hall effektus, mágneses ellenállás, eszközök

Elektromos vezetés félvezetőkben Hőmérsékletfüggés !! Fémekben az elektronok koncentrációja nagy és ~ állandó ! Elektromos áram: J=enva va =µ/E drift sebesség, azaz µ= va /E mozgékonyság J=enva = en µ/E, de J=σE, ahol σ= en µ Vezetőképesség: n, p – saját vagy adalék által biztosított hordozók koncentrációja A töltés hordozók mozgékonysága: [m2 / V.s],

Változó mozgékonyság: hőmérséklet, elektromos tér Sze75 Létrejöhet a lavina effektus (avalanche diode)

Elektronok energiája: ‹E›= 3kTe /2 + Edrift ,termodinamikai egyensúlyi + kinetikai Einstein egyenlet: D/µ = kTe /2e mh ml mh=15m0»ml

10% sebességnövelést okozó elektromos tér már kritikus! Δv=µE Nemlineáris elektromos effektus: N- és S-típusú volt-amper jellemgörbe J= σE = eµnE, az elektron termodinamikai egyensúlyban van a ráccsal, az elektromos tér elhanyagolhatóan hat a teljes energiára 10% sebességnövelést okozó elektromos tér már kritikus! Δv=µE Tehát más-más félvezetőben más a kritikus tér: Ge n-típus: µ=3900 cm2/V.s, Ekr=900 V/cm Ge p-típus: µ=1500 cm2/V.s, Ekr=1400 V/cm Si n-típus: µ=1200 cm2/V.s, Ekr=2500 V/cm Si p-típus: µ=500 cm2/V.s, Ekr=7500 V/cm Itt szerepet játszik az energiaspektrum diszperziója is!! Tehát: tér hatására változhat a termoelektromos emisszió küszöbe, a szabad elektronok tunelezéssel is gerjesztődhetnek, létrejöhet emisszió (hideg katód), csatolás és átütés.

Elarge Gunn-effektus: Feszültséget kapcsolunk, indul az áram,termodinamikai fluktuációk következtében születik egy domén. A „lassú” elektron domén átrepülési ideje: t = L/v0, L –a minta hossza, v0- a domén sebessége. Az áramkörben (a terhelésben) folyó áram váltakozó, frekvenciája: ω=2πv0/L, tehát a mérettel is állítható a frekvencia. GaAs: ω= 109-1010Hz !! Alkalmazás: generátorok, erősítők, mikrohullámú technika

Gunn-diódák (transferred electron diode, TED, felfedező Gunn, 1963): +file Gunn-diódák (transferred electron diode, TED, felfedező Gunn, 1963): Description MDT’s GaAs Gunn diodes, epi-up (anode heatsink), are fabricated from epitaxial layers grown at MDT by the Vapor Phase Epitaxy technique. The diodes are available in a variety of microwave ceramic packages for operation from 9.5–35.5 GHz. Applications ● Motion Detectors ● Transmitters and Receivers ● Automotive Collision Avoidance Radars ● Radars ● Radiometers ● Instrumentation High Reliability ● Low-Phase Noise ● 9.5–35.5 GHz Operation ● Pulsed and CW Designs to 20 mW CVmodel f,GHz P,mW V, V I,ma MG1052-11 9.5–11.5 10 8 140 MG1056-11 9.5–11.5 20 8 200

IMPATT-dióda (impact ionization avalanche transit time) – negatív differenciális ellenállás kialakulása mikrohullámú tartományban (σd=dI/dV): I V Alkalmazás: mikrohullámú elektronika,30 GHz. IMPATT-dióda : lavina letöréses dióda, adalékolás profil, N1=vagy nem N2 OVONIC svitch !

Adalékolás

n-félvezető: EFn= Ec-kTln(Nc /n) p-félvezető: EFp= Ev+kTln(Nv /p)

Adalékolás – vezetés típusa A Fermi-szintek helyzete az adalék koncentrációja és a hőmérséklet függvényében Erősen adalékolt félvezetők : a diszkrét szintek sávvá alakulnak, Létrejöhet a degeneráció. Általában csökken a hordozók mozgékonysága – több az ion és a szórás!!! Ezekben gyakori a nemlineáris VAK.

Adalékolás: -gyártásnál (Czochralski növesztés –Si) diffúzió a kész anyagba ionimplantáció

Adalékok oldékonysága szilárd szilíciumban Si paraméterek ULSI követelmények ρ,ohm.cm 1-50 5-50 n-típus ρ,ohm.cm 0,005-50 5-50 p-típus , s (kisebbségi) 30-300 300-1000 Karbon, ppma 1-5 0,1 Diszlokáció, cm-2 <500 <1 Görbület ,m <25 < 5 Egyenetlenség, m <5 <1

DIFFÚZIÓ Az ionimplantáció és a diffúzió technológia alkalmazása adalékolásra Alapfolyamatok és problémák: Koncentráció gradiens, diffúzió, diffúzió profil, laterális diffúzió hatása Ionimplantáció: előnyök és hátrányok, a roncsolás kiküszöbölése

Termikus diffúzió: Ionimplantáció: ∂C/∂t = D ∂2C/∂x2, D=Doexp(-Ea/kT), D=cm2/s 𝛛C/ 𝛛t=D (𝛛2C/ 𝛛x2) - Fick diffúziós egyenlete Két eset: -állandó felületi koncentráció (nagyon vastag réteg vagy gőzölés) -véges felületi koncentráció (vékony felvitt réteg) Az utóbbi esetben: C(x,t)= (S/√πDt) exp(-x2/4Dt) Ionimplantáció: σp x Rp Rp – projected range, σp – projected struggle (létezik laterális is)

Projected range – mélység, Straggle – deviációk , mélység és lateráalis IMPLANTÁCIÓ Energiavesztés-lelassulás: 100-200 keV →0. atomi ütközések és kölcsönhatás az elektronokkal Projected range, straggle, lateral straggle B,P,As in Si(a), H,Zn,Te in GaAs (b) Többszörös implantáció, különböző energiákkal – mélyebb profil.

Kompenzálás EFn EFp Donorok és akceptorok ,kis aktivációs energiák Mind ionizáltak szobahőmérsékleten! n – p = ND- NA, tehát ha ND>NA, akkor n>p, és n≈ ND- NA Azaz a donorok egy része kompenzálódik. Akceptorok, p-típus - hasonló Többségi és kisebbségi töltéshordozók: a koncentrációk függvénye Változások: fotovezetés-, gerjeszés-csapdázás injekció

Kontinuitási egyenlet Példa: cső, ki-bemenő folyadékmennyiség egyenlősége Egy térfogatelemben a feleslegben levő kisebbségi töltéshordozók mennyisége időbeli változásának a mértéke, az odafolyó, az ott keletkezett, az eltávozó, továbbá a rekombináló hordozók mennyiségének különbsége: 2=div grad =2 /x2 = Egydimenziós eset: =

p=1/eRH = JpBz/eEy =(I/A)Bz /e(VH / W) = IBzW/eVH A Hall effektus e Ey= e vx Bz , Ey= vx Bz, ha beáll az egyensúly, a lyukak árama tovább halad x irányban   VH=EyW - Hall feszültség Mivel Jp=epvp=evµpE, Ey=(Jp/ep)Bz,=RHJpBz, ahol RH=1/ep (Hall állandó lyukvezetés esetében) RH=-1/en (elektronvezetés) p=1/eRH = JpBz/eEy =(I/A)Bz /e(VH / W) = IBzW/eVH A RH=3/8ep –pontosított képlet, átlagolás

vagy: áramot mérünk az áramkör megszakítása nélkül Hall szenzor egy transducer amely változtatja a kimenő feszültségét a mágneses tér hatására. Alkalmazásuk: közelítési kapcsolók, pozicionálás, áram és sebesség mérés, pld.: ismerve a mágneses tér távolságtól függő hatását, mérhetjük a távolságot vagy: áramot mérünk az áramkör megszakítása nélkül (Hosszú, egyenes áramvezető mágneses tere: B=µ0I/2a, I-áram, B-tér indukciója, a-a kőr sugara (távolság a huzal közepétől) Hall effect current sensor with internal integrated circuit amplifier. 8 mm opening. Non-zero current response is proportional to the voltage supplied and is linear to 60 amperes. The device has three terminals. A sensor voltage is applied across two terminals and the third provides a voltage proportional to the current being sensed. Advantages: no additional resistance (a shunt, required for the most common current sensing method) need be inserted in the primary circuit. Also, the voltage present on the line to be sensed is not transmitted to the sensor, which enhances the safety of measuring equipment.

Számláló, forgás mérő Measurement of DC, AC or both is possible, with no primary losses, and quick response. Frequency bandwidth runs from DC up to 50kHz (at higher frequencies derating is required to prevent core from overheating). Output linearity is +/-1%, and operating temperatures cover the-10 to +80°C range. Sebesség mérő Sensoronix Proximity Switches Pozíció mérő Melexis

Mágneses ellenállás Two Types of MR Stripes AMR Anisotropic Magneto-Resistance 4% Resistance Change Thin Films Weakens effect Introduced in 1992 GMR Giant Magneto-Resistance~200% Resistance Change Introduced in 1988 AMR- The Anisotropic magnetoresistance measures the change in resistance for the current pass through a ferromagnetic media, when magnetization change from parallel to perpendicular to the current.

GMRis a quantum mechanical effect observed in composed of alternating layers of ferromagnetic and nonmagnetic layers. When the magnetic moments of the ferromagnetic layers are parallel, the spin-dependent scattering of the carriers is minimized, and the material has its lowest resistance. When the ferromagnetic layers are antialigned, the spin-dependent scattering of the carriers is maximized, and the material has its highest resistance. GMR is 200 times stronger than ordinary magnetoresistanceThe GMR effect How giant magneto-resistance works MagneticNon magneticMagnetic SubstrateElectronElectron

The 2007 Nobel Prize in physics was awarded to Albert Fert and Peter Grünberg for the discovery of GMR. Giant magnetoresistance (GMR) kvantum mechanika jelenség, amelyet vékony ferromágneses-nemmágneses multirétegekben mérik In the absence of an external magnetic field, the direction of magnetization of adjacent ferromagnetic layers is antiparallel due to a weak anti-ferromagnetic coupling between layers. The result is high-resistance magnetic scattering. When an external magnetic field is applied, the magnetization of the adjacent ferromagnetic layers is parallel. The result is lower magnetic scattering, and lower resistance. [1]