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.
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 1980 1990 2000 2010
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.
Történelem: Me-Semiconductor Braun 1907 LED Round Bipolar tranzistor Bardeen, Brattain, Shockley p-n Shockley 1954 Solar cell Chapin, Fuller, Pearson Tunnel diode Esaki MOSFET Kahng, Atalla Heterostructure laser Kroemer, Alferov, Kazarinov 1963 Gunn-diode(TED) Gunn 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
Termelési folyamatok története: 1800-1850 Termelési folyamatok története: 1800-1850 Cserélhető alkatrészek koncepciója 1875 F.Taylor bevezeti a tudományos management elveit 1900-1930 Ford bevezeti a szerelőszalagot 1950 ComputerNumericControl (CNC) 1970 Statisztikus kísérleti tervezés Félvezetők technológiájának néhány fordulópontja: 1798 Litográfia feltalálása 1855 Fick diffúziós egyenletek 1918 Czochralski feltalálja a kristálynövesztési módszert 1925 Bridgman feltalálja a kristálynövesztési módszert 1952 Pfann diffúzióval megváltoztatja a Si vezetését 1957 Fotoreziszt, oxid maszkolás, epitaxia alkalmazása 1958 Ionimplantáció (Shockley) 1969 MOCVD 1971 Száraz maratás, MBE(Cho) Intel processor 1989 CMP(chemical-mechanical polishing) …… CAD(computer-aided design), IC-CÍM –computer-integrated manufacturing of integrated circuits IC-CIM Gyártástudomány Félvezetők technológiája 1980
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
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:
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…
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.
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,…)
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
A különböző kristálytípusok elemi cellái.
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
Vegyi kötések: kovalens, ionos, molekuláris, fémes
Tetraedrális kötés a Si-ban: Si atom elektronjai: n=3 n=2 2s e n=1 2s e 2s e 2p e +14
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
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
Amorf, szerves anyagok, félvezetők ~ exp(-Eí /(2kT) ) !!! Alacsony hőmérséklet: ~ exp(-(T/T0)1/4 )
Adalékolás
A jó vezető réz (balra) és ezüst (jobbra) fajlagos ellenállásának megnövekedése a beépült idegen szennyező-atomok következtében.
Ellenállás hőmérsékletfüggése: Cu-Ni ötvözetek fajlagos ellenállása (1) és az ellenállás hőmérsékleti együtthatója (2).
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).
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
Mágneses permeabilitás
Ferrimágneses anyagok
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=CHCl) polimerizációja F F F C C C F F F n Szilíciumszerves polimerek Epoxigyanták molekulái epoxi-gyűrűket tartalmaznak: O / \ H2C CH Si O SiOSi Paraméterek: lágyulási T, keménység, vezetőképesség, oldékonyság, képlékenység
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.