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.
• • •
A mikroelektronika kialakulása: fontosabb mérföldkövek A mikroelektronika anyagai: félvezetők, dielektrikumok, fémek rendszerezése Félvezetők fizikája és az alaptulajdonságokra épülő alkalmazások: – – – – – –
•
Dielektrikumok 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 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.
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 Gross world product
104 elektronika autóipar
103
félvezetők acélipar
102
1980
1990
2000
2010
Történelem: 1874
Me-Semiconductor
Braun
1907
LED
Round
1947
Bipolar tranzistor
Bardeen, Brattain, Shockley
1949
p-n
Shockley
1954
Solar cell
Chapin, Fuller, Pearson
1958
Tunnel diode
Esaki
1960
MOSFET
Kahng, Atalla
1963
Heterostructure laser
Kroemer, Alferov, Kazarinov
1963
Gunn-diode(TED)
Gunn
1966
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
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 –computerintegrated manufacturing of integrated circuits
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
A
p-n
B
Heteroátmenet
MOS
+ optoelektronikai: hullámvezető, 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:
Félvezetők, dielektrikumok, fémek fizikája Rendszerezés elektromos vezetés szerint:
• 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
köbös
hexagonális
ortorombikus
tetragonális
monoklin
romboéderes
triklin
A különböző kristálytípusok elemi cellái. Fedorov: 6 kristályos rendszer, 14 rácstípus, 32 pontszimmetria
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
Azokat a legkisebb egész számokat, melyek aránya megegyezik a H’, K’ és L’ arányával h, k, l betűkkel jelöljük és Miller-indexeknek nevezzük.
z
L 0
Ekvivalens rács-síkok
K
H
x
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
y
Vegyi kötések: kovalens, ionos, molekuláris, fémes
A gyémántszerkezetű szén (izomorf kristályok: Si, Ge)
alapállapot Koordinációs szám: 4
3
sp – hibridpályák
hibridizált állapot
Az elektronok energiasémája az elemi a gyémántban C-ben
Tetraedrális kötés a Si-ban:
Si atom elektronjai: n=2
n=3
2s e n=1
6p e
2s e +14
2s e
2p e
Ionos kötés
I.+VII. NaCl II.+VI. MgO oszlopok elemeinek vegyületei
Kovalens kötés
Vegyület félvezetők: GaAs InSb SiC
Fémes kötés
Molekulák: CH4 Elemi félvezetők: C, Si, Ge
Elemi fémek
Az anyagok elektronszerkezete
,
A szabad elektron kinetikai energiája egy parabolával írható le:
p 2 2k 2 E 2m 2m k=2/
az elektron hullámszáma
de:
2a·sin90º=n,
k
n a
és k=2/
n 1,2,3,...
Vezetők:
• Vegyértéksáv
E vezetési sáv EF vezetési sáv
vegyértéksáv
Félvezetők:
E
EF
• Vezetési sáv a legalsó üres, vagy (vezetési)elektronokkal csak részben telített energiasáv (T0= 0 K) Ec: a vezetési sáv alsó szélének energiaszintje
Szigetelők:
• Tiltott sáv Eg
vezetési sáv vezetési sáv
***
Ec Ec
Eg<3 eV vegyértéksáv
EV vegyértéksáv
EV és EL közötti távolság, azon energiaértékek, amelyeket elektronok nem foglalhatnak el
• Fermi-energiaszint EF
Eg>3 eV
EV
a legfelső, (vegyérték)elektronokkal teljesen telített energiasáv (T0= 0 K) EV:a vegyértéksáv felső szélének energiaszintje
A Fermi-energiaértéktől kisebb energiájú pályák nagy valószínűséggel fel vannak töltve elektronokkal. (T0= 0 K)
E
Eg p
lh
hh
m* n = (d2E / dp2)-1
Változó ellenállásdomén Gunn-GaAs =e(1n1+ 2n2) –átlag a két völgyből
EF a Fermi-energia (Fermi-nívó, Fermiszint)
Ni fermion eloszlása Ei energia szerint Zi fáziscellában:
Ni
1 f E E EF 1 exp kT
Zi Ei 1 exp( ) kT
E A exp F kT N .
V E 2 2
2
8 m 2 h
32
E
12
4 32 3 2m E 1 2 h
1 4 32 12 n(T, dE)=ρ(E) f(E) dE = 3 2m E E EF dE h 1 exp
E EF n0 N C exp C kT
kT
E F EV p0 N V exp kT
k- Boltzmann-állandó, k= 1,38.10-23 J.K-1
n0=p0 !!!
Nc = 2 [2 π me* kT / (2π h)2]3/2 effektív állapotsűrűség
EC EV kT NV EF ln 2 2 NC n0 p0 ni N C NV
1 2
Eg exp 2kT
Majdnem tiltott sáv közepe!!!
Amorf, szerves anyagok, félvezetők
~ exp(-Eí /(2kT) ) !!! Alacsony hőmérséklet: ~ exp(-(T/T0)1/4 )
Kontaktpotenciál alakul ki olyan egymáshoz illesztett vezető vagy félvezető anyagok között, melyek Fermi-energiái különböznek. E
E
0 φ1
φ2 EF1
EF2
φ1- φ2=V e-
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: Cu-Konst: T=100C, V=4,28mV, Pt-PtRh: 0,64mV
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:
U T AB T2 T1
ahol AB az adott A és B anyagok egymásra vonatkoztatott Seebeck-együtthatója. Így működik a differenciális termoelem vagy más néven termopár.
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
Termogenerátor/hűtő hatásfoka: K= Q0/W, T2
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
Hűtött tönk Hűtött tönk
n
n1 p p1
Disszipált hő meleg
Fordított eset: fent melegítjük, lent hideg, terhelésre kapcsoljuk...
• 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,...
Peltier-Element for COOLING Type: QMC-06-004-15 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
Single-Stage Module Specifications Part Number Imax Amps VmaxVolts QmaxWatts DTmax0 C DimensionsL x W(mm) Height mm ST-71-1.0-3.0 3.0 ST-127-1.0-3.0 3.0 ST-71-1.0-4.0 4.0
9.75 17.5 9.75
15.75 28 19.3
71 71 71
22.4 x 22.4 30 x 30 22.4 x 22
3.2 3.95 4. 32
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 TEC1-01708 ΔT max. = 68°C, Qmax (ΔT =0) 9.5W TEC1-01708S 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 TEC1-03108 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 TEC1-04908 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 TEC1-07103 ΔT max. = 68°C, Qmax (ΔT =0) 18.0W TEC1-07103HTS 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
TEC1-01708 15x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couples US$ 3.55 TEC1-01708S Sealed 15x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couples US$ 3.59 TEC1-03108 20x20x3.3mm 8.5A/3.7V 17.6W 31 couples US$ 3.99 TEC1-04908 25x25x3.7mm 8.5A/5.9V 27.4W 49 couples US$ 4.49 TEC1-07103 30x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couples US$ 4.99 TEC1-07103HTS High temp. Seal. 30x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couples US$ 5.29 TEC1-07108 30x30x3.8mm 8.5A/8.5V 40W 71 couples US$ 4.99
