Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Mikroelektronika 1. Sávdiagram, Fermi-szint, kontaktpotenciál.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Mikroelektronika 1. Sávdiagram, Fermi-szint, kontaktpotenciál."— Előadás másolata:

1 Mikroelektronika 1. Sávdiagram, Fermi-szint, kontaktpotenciál.
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, 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.

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 105 104 103 102 elektronika autóipar félvezetők acélipar Gross world product

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 Félvezetők technológiájának néhány fordulópontja: 1798
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

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: hullámvezető, 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

8 Fejlődési trendek:

9 Rendszerezés elektromos vezetés szerint:
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, 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

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. 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 n=3 2p e 6p e

16

17 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

18

19 lh hh p E m* n = (d2E / dp2)-1 Eg

20 Változó ellenállás-domén
Gunn-GaAs =e(1n1+ 2n2) –átlag a két völgyből

21 Ni fermion eloszlása Ei energia szerint Zi fáziscellában:
EF a Fermi-energia (Fermi-nívó, Fermi-szint) .

22 n(T, dE)=ρ(E) f(E) dE = dE
k- Boltzmann-állandó, k= 1, J.K n0=p0 !!! Nc = 2 [2 π me* kT / (2π h)2]3/2 effektív állapotsűrűség Majdnem tiltott sáv közepe!!!

23 Amorf, szerves anyagok, félvezetők
 ~ exp(-Eí /(2kT) ) !!! Alacsony hőmérséklet:  ~ exp(-(T/T0)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-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. E EF1 EF2 φ2 e- E φ1- φ2=V φ1 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+ Eg/2kT} , ahol b=n/ p Alkalmazás: hőmérséklet mérése, áram fejlesztése T1 T2 Termogenerátor/hűtő hatásfoka: K= Q0/W, ahol Q0 a hő energia, W-az elnyelt vagy keletkezett villamos energia Kmax~T,, R (R-teljes ellenállás) Eszközök: két félvezető, pld. BiTe, PbTe, SnTe

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

27 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,...

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 Imax Amps VmaxVolts QmaxWatts DTmax0 C DimensionsL x W(mm) Height mm ST x ST x ST x

31 Peltier Thermoelectric Cooling Modules
Peltier 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 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 15x15x3.7mm 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 20x20x3.3mm 8.5A/3.7V 17.6W 31 couples US$ 3.99 TEC 25x25x3.7mm 8.5A/5.9V 27.4W 49 couples US$ 4.49 TEC 30x30x4.9mm 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 30x30x3.8mm 8.5A/8.5V 40W 71 couples


Letölteni ppt "Mikroelektronika 1. Sávdiagram, Fermi-szint, kontaktpotenciál."

Hasonló előadás


Google Hirdetések