mikroelektronika 2

26
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

Upload: arissa

Post on 29-Jan-2016

55 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

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

TRANSCRIPT

Page 1: MIKROELEKTRONIKA   2

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

Page 2: MIKROELEKTRONIKA   2

kT

EENn FC

C exp0

kT

EENp VF

V exp0

kT

ENNnpn g

VCi 2exp2

1

00

Elektromos vezetés félvezetőkben

A töltés hordozók mozgékonysága:

ne

n

en m

e

v

l

m

e 0

[m2 / V.s],

Vezetőképesség: pnepene pnpni

Hőmérsékletfüggés !!

n, p – saját vagy adalék által biztosított hordozók koncentrációja

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

Page 3: MIKROELEKTRONIKA   2

Változó mozgékonyság: hőmérséklet, elektromos tér

Sze75

Létrejöhet a lavina effektus

(avalanche diode)

Page 4: MIKROELEKTRONIKA   2

Elektronok energiája: ‹E›= 3kTe /2 + Edrift ,termodinamikai egyensúlyi + kinetikai

Einstein egyenlet: D/µ = kTe /2en

e

n

en m

e

v

l

m

e 0

mlmh

mh=15m0»ml

Page 5: MIKROELEKTRONIKA   2

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/cmGe p-típus: µ=1500 cm2/V.s, Ekr=1400 V/cmSi n-típus: µ=1200 cm2/V.s, Ekr=2500 V/cmSi 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.

Page 6: MIKROELEKTRONIKA   2

Gunn-effektus:

Elarge

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

Page 7: MIKROELEKTRONIKA   2

Gunn-diódák (transferred electron diode, TED, felfedező Gunn, 1963):

+file

DescriptionMDT’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 avariety of microwave ceramic packages for operation from9.5–35.5 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,maMG1052-11 9.5–11.5 10 8 140 MG1056-11 9.5–11.5 20 8 200

Page 8: MIKROELEKTRONIKA   2

Alkalmazás: mikrohullámú elektronika,30 GHz.

IMPATT-dióda (impact ionization avalanche transit time) – negatív differenciális ellenállás kialakulása mikrohullámú tartományban (σd=dI/dV):

I

V

IMPATT-dióda : lavina letöréses dióda, adalékolás profil, N1=vagy nem N2

OVONIC svitch !

Page 9: MIKROELEKTRONIKA   2

Adalékolás

Page 10: MIKROELEKTRONIKA   2
Page 11: MIKROELEKTRONIKA   2

.2

exp

,2

exp

2

1

0

2

1

0

kT

ENNn

kT

ENNp

DDC

AAV

AD NpNn

n-félvezető: EFn= Ec-kTln(Nc /n)

p-félvezető: EFp= Ev+kTln(Nv /p)

Page 12: MIKROELEKTRONIKA   2

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.

Page 13: MIKROELEKTRONIKA   2

Adalékolás:

-gyártásnál (Czochralski növesztés –Si)

-diffúzió a kész anyagba

-ionimplantáció

Page 14: MIKROELEKTRONIKA   2

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

Page 15: MIKROELEKTRONIKA   2

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

Page 16: MIKROELEKTRONIKA   2

∂C/∂t = D ∂2C/∂x2, D=Doexp(-Ea/kT), D=cm2/s

𝛛C/ t=D (𝛛 𝛛2C/ x𝛛 2) - 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)

Termikus diffúzió:

Ionimplantáció:

x

Rp

σp

Rp – projected range, σp – projected struggle (létezik laterális is)

Page 17: MIKROELEKTRONIKA   2

IMPLANTÁCIÓProjected range – mélység,

Straggle – deviációk , mélység és lateráalisEnergiavesztés-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.

Page 18: MIKROELEKTRONIKA   2
Page 19: MIKROELEKTRONIKA   2

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

Page 20: MIKROELEKTRONIKA   2

Kontinuitási egyenletPélda: 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: =

Page 21: MIKROELEKTRONIKA   2

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

Page 22: MIKROELEKTRONIKA   2

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 távolságotvagy: áramot mérünk az áramkör megszakítása nélkül (Hosszú, egyenes áramvezető mágneses tere: B=µ0I/2a, 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.

Page 23: MIKROELEKTRONIKA   2

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

Pozíció mérő Melexis

Proximity Switches

Page 24: MIKROELEKTRONIKA   2

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 ChangeIntroduced 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.

Page 25: MIKROELEKTRONIKA   2

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

Page 26: MIKROELEKTRONIKA   2

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]