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:

– 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.

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 !)

1980 1990 2000 2010

Mil.USD

105

104

103

102

elektronika

autóipar

félvezetők

acélipar

Gross world product

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 feltalálása1855 Fick diffúziós egyenletek1918 Czochralski feltalálja a kristálynövesztési módszert1925 Bridgman feltalálja a kristálynövesztési módszert1952 Pfann diffúzióval megváltoztatja a Si vezetését1957 Fotoreziszt, oxid maszkolás, epitaxia alkalmazása1958 Ionimplantáció (Shockley)1969 MOCVD1971 Száraz maratás, MBE(Cho) Intel processor1989 CMP(chemical-mechanical polishing)…… CAD(computer-aided design), IC-CÍM –computer-

integrated 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 p-n

A BB

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 tetragonális romboéderes

ortorombikus monoklin 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.

0

x

y

z

HK

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

Ekvivalens rács-síkok

Koordinációs szám: 4 sp – hibridpályák3

A gyémántszerkezetű szén (izomorf kristályok: Si, Ge)

alapállapothibridizált

állapot

Az elektronok energiasémájaaz elemiC-ben

a gyémántban

Vegyi kötések: kovalens, ionos, molekuláris, fémes

Tetraedrális kötés a Si-ban:

Si atom elektronjai:

+14

n=1

2s e

n=2

2s en=3

2s e 2p e6p e

Ionos kötés

I.+VII. NaClII.+VI. MgO Vegyület félvezetők:

GaAsInSbSiC

Molekulák: CH

Elemi félvezetők:C, Si, Ge

4

Elemi fémekoszlopokelemeinekvegyületei

Kovalens kötés Fémes kötés

m

k

m

pE

22

222

k=2/ az elektron hullámszáma

A szabad elektron kinetikai energiája egy parabolával írható le:

,

de: 2a·sin90º=n, és k=2/

,...3,2,1 na

nk

Az anyagok elektronszerkezete

• Vegyértéksáva legfelső, (vegyérték)elektronokkal teljesen telített energiasáv (T0= 0 K)

EV:a vegyértéksáv felső szélének energiaszintje

• Vezetési sáva legalsó üres, vagy (vezetési)elektronokkal csak részben telített energiasáv (T0= 0 K)

Ec: a vezetési sáv alsó szélének energiaszintje

• Tiltott sáv EgEV és EL közötti távolság, azon energiaértékek, amelyeket elektronok nem foglalhatnak el

• Fermi-energiaszint EFA Fermi-energiaértéktől kisebb energiájú pályák nagy valószínűséggel fel vannak töltve elektronokkal. (T0= 0 K)

vezetési sáv

vegyértéksáv

vezetési sávvezetési sáv

vegyértéksávvegyértéksáv

vezetési sáv

Vezetők:

Félvezetők:Szigetelők:

Eg<3 eV* * *

Eg>3 eVEc

Ec

EV EV

EF EF

E

E

lh hh

p

E

m* n = (d2E / dp2)-1

Eg

Változó ellenállás-domén

Gunn-GaAs =e(1n1+ 2n2) –átlag

a két völgyből

kT

EEEf

Fexp1

1

EF a Fermi-energia (Fermi-nívó, Fermi-

szint)

kT

EA Fexp

.

N

)exp(1kTE

ZN

i

ii

Ni fermion eloszlása Ei energia szerint Zi fáziscellában:

2123

3

21

23

2

2

22

48

2Em

hE

h

mVE

n(T, dE)=ρ(E) f(E) dE = dE

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

kT

EENn FC

C exp0

kT

EENp VF

V exp0

kT

ENNnpn g

VCi 2exp2

1

00

C

VVCF N

NkTEEE ln

22

2123

32

4Em

h

kTEE Fexp1

1

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.

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.

12 TTU ABT

E

φ1

φ1- φ2=V0

EF1EF2

φ2 e-

E

Cu-Konst: T=100C, V=4,28mV, Pt-PtRh: 0,64mV

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 fejlesztéseT1

T2

Eszközök: két félvezető, pld. BiTe, PbTe, SnTe

Termogenerátor/hűtő hatásfoka:

K= Q0/W,

ahol Q0 a hő energia, W-az elnyelt vagy keletkezett villamos energia

Kmax~T,, R (R-teljes ellenállás)

Hűtött tönk

Disszipált hő

n p

n1 p1

Hűtött tönk

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 04hot side 04 x 04hight 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) 1.3U max (V) 0.5Q max (W) 0.36DTmax(K) 73

Single-Stage Module Specifications Part Number Imax Amps VmaxVolts QmaxWatts DTmax

0 C DimensionsL x W(mm) Height mm

ST-71-1.0-3.0 3.0 9.75 15.75 71 22.4 x 22.4 3.2 ST-127-1.0-3.0 3.0 17.5 28 71 30 x 30 3.95 ST-71-1.0-4.0 4.0 9.75 19.3 71 22.4 x 22 4. 32

Peltier Thermoelectric Cooling ModulesPeltier 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

TEC1-0170815x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couplesUS$ 3.55TEC1-01708SSealed 15x15x3.7mm 8.5A/2.0V 9.5W 17 couplesUS$ 3.59TEC1-0310820x20x3.3mm 8.5A/3.7V 17.6W 31 couplesUS$ 3.99TEC1-0490825x25x3.7mm 8.5A/5.9V 27.4W 49 couplesUS$ 4.49TEC1-0710330x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couplesUS$ 4.99TEC1-07103HTSHigh temp. Seal. 30x30x4.9mm 3.3A/8.5V 18W 71 couplesUS$ 5.29TEC1-0710830x30x3.8mm 8.5A/8.5V 40W 71 couplesUS$ 4.99