2013-11-13 1 Półprzewodniki 16.10.2013 2 Własności półprzewodników E g < 2 eV ( koncentracja swobodnych elektronów w temp. otoczenia ~10 8 w cm 3 ) Konduktywność = 10 -7 10 5 S/m=enu, Zależność konduktywności od - czystości materiałów - temperatury - pola elektrycznego - promieniowania ( m.in. detektory światła – InSb, CdSe, PbTe, PbSe zjawiska elektroluminescencyjne – GaAs, GaP, GaAsP Zjawiska fluorescencji ( np. II i IV grupy ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe) w półprzewodnikach samoistnych 10 23 atomów w cm 3 , w Ge w 300K 10 13 zjonizowanych atomów w cm 3 Półprzewodniki domieszkowe – 1 atom domieszki na 10 6 atomów półprzewodnika, n- As, Sb, P, Bi, p- B, Al., Ga, In) (koncentracja i ruchliwość nośników w Cu n nCu ~ 8.4 10 28 m -3 , 0.005m 2 /V s, 5.6 10 7 S/m) 16.10.2013 3 Półprzewodniki german (budulec pierwszego tranzystora), krzem – najpopularniejszy, monokryształ o strukturze diamentu arsenek galu. Materiały te stosuje się w postaci: odpowiednio zorientowanych płytek monokryształów, warstw amorficznych , polikrystalicznych o różnych orientacjach i wzajemnych relacjach tychże orientacji o wielorakich ich rozmiarach. Znaczny postęp w dziedzinie sensorów, aktuatorów i układów generacji mocy, wykorzystujących efekty elektrooptyczne, elektrostrykcyjne, termoelektryczne i piezoelektryczne- dzięki nowym kombinacjom własności kierunkowych i charakterystycznych wymiarów mikrostuktur . 16.10.2013 4 Struktura diamentu 16.10.2013 5 Budowa GaAs- siatka krystaliczna blendy cynkowej Materiał przyszłościowy Ruchliwość 2-3 razy większa niż w Si Nadaje się do częstotliwości do THz Niebezpieczny dla człowieka Krystalizuje- siatka regularna blendy cynkowej Nie tworzy naturalnych tlenków- trudniejszy w produkcji MOS electronicdesign.com korean.alibaba.com Oklahoma State University School 16.10.2013 6 Zmiany własności powierzchniowych poprzez zwiększenie powierzchni materiałów w wyniku modyfikacji ziaren krystalicznych i zwiększenia porowatości zwiększają wydajność materiałów w wytwarzaniu energii elektrycznej (konwersja światła na energię w barwnikowych ogniwach słonecznych) i ochronie środowiska ( np. w wyniku fotodegradacji zanieczyszczeń).
13
Embed
Półprzewodnikimatel.p.lodz.pl/~mwalczak/MiTwEiE/Półprzewodniki45.pdf · 2013. 11. 13. · 2013-11-13 1. Półprzewodniki. 16.10.20132. Własności półprzewodników. E. g< 2
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
2013-11-13
1
Półprzewodniki
16.10.2013 2
Własności półprzewodników Eg< 2 eV ( koncentracja swobodnych elektronów w temp. otoczenia
~108 w cm3)
Konduktywność = 10-7 105 S/m=enu, Zależność konduktywności od
- czystości materiałów
- temperatury - pola elektrycznego - promieniowania ( m.in. detektory światła – InSb, CdSe, PbTe, PbSe
Zjawiska fluorescencji ( np. II i IV grupy ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe)
w półprzewodnikach samoistnych 1023 atomów w cm3, w Ge w 300K 1013 zjonizowanych atomów w cm3
Półprzewodniki domieszkowe – 1 atom domieszki na 106 atomów półprzewodnika, n- As, Sb, P, Bi, p- B, Al., Ga, In)
(koncentracja i ruchliwość nośników w Cu nnCu~ 8.4 1028 m
-3,
0.005m2/V s, 5.6 107S/m)
16.10.2013 3
Półprzewodniki
german (budulec pierwszego tranzystora),
krzem – najpopularniejszy, monokryształ o strukturze diamentu
arsenek galu.
Materiały te stosuje się w postaci:
odpowiednio zorientowanych płytek monokryształów,
warstw amorficznych ,
polikrystalicznych o różnych orientacjach i wzajemnych relacjach tychże orientacji o wielorakich ich rozmiarach.
Znaczny postęp w dziedzinie sensorów, aktuatorów i układów generacji mocy, wykorzystujących efekty elektrooptyczne, elektrostrykcyjne, termoelektryczne i piezoelektryczne- dzięki nowym kombinacjom własności kierunkowych i charakterystycznych wymiarów mikrostuktur .
16.10.2013 4
Struktura diamentu
16.10.2013 5
Budowa GaAs- siatka
krystaliczna blendy cynkowej Materiał przyszłościowy
Ruchliwość 2-3 razy większa niż w Si
Nadaje się do częstotliwości do THz
Niebezpieczny dla człowieka
Krystalizuje- siatka regularna blendy cynkowej
Nie tworzy naturalnych tlenków- trudniejszy w produkcji
MOS
electronicdesign.com
korean.alibaba.com
Oklahoma State University School
16.10.2013 6
Zmiany własności powierzchniowych poprzez
zwiększenie powierzchni materiałów w wyniku
modyfikacji ziaren krystalicznych i zwiększenia
porowatości zwiększają wydajność materiałów w
wytwarzaniu energii elektrycznej (konwersja światła na
Temperatura topnienia Ge 9370C nie pozwala na procesy wysokotemperaturowe
dostępność piasku- SiO2
SiO2- dielektryk stabilny elektrycznie, mechanicznie i chemicznie- baza technologiczna dla Si
większe pasmo zabronione dla Si- wyższa dopuszczalna temperatura
możliwości łatwej zmiany konduktywności przez domieszkowanie- własności zmieniane od dielektryka do przewodnika
czystość rzędu 1010 domieszek w cm3
hodowla i cięcie na wafle gładkość powierzchni <200 nm 2.3.2013 8
http://www.chemicalelements.com
SemiconductorPeriodic TablePeriodic Table
6
2.3.2013 9
Szerokość pasma zabronionego w niektórych
półprzewodnikach
Półprzewodnik Eg
eV
nn
m-3
n
m2/Vs
p
m2/Vs
S/m
gęstość
kg/m3
r
Te 0.33
Ge 0.7 1.71019
0.42 0.21 1.7
Si 1.1 1.01016
0.13 0.05 2,9 10-4
Se 1.6
PbS(AIV
BVI
) 0.35-
0.39 0.064 0.08 17
InAs 0.36
GaSb 0.68 0.05 0.085 5600 14
GaP 2.24 0.03 0.01
0.015[3] 4.13 8.5
AlSb 1.49 0.02 0.02 4260 10.1
GaAs 1,38 9.11012
0.60
0.86[1]
0.03
0.025[1]
0.04[3] 9.1 10
-7 5320 11.1
InP 1.27 0.053 0.065
InSb 0.17(0.7
[1]) 8 0.7 210
-4[3] 5770 15.7
AIII
BV
ZnS 3.6 0.01 4090 5.13
CdS 2.4 0.0295 0.001 4840 11.6
CdSe 1.7 0.055 5740 11.3
CdTe 1.5 0.06 0.005 5860 11
HgSe 0.6 1.85 8260 5.8
HgTe 0.02 1.6 0.016 8200
AIIB
VI
ZnTe 2.26 0.03 0.01[3]
16.10.2013 10
Szerokość pasma zabronionego w niektórych
półprzewodnikach (c.d.)
ZnS 3.6 0.01 4090 5.13
CdS 2.4 0.0295 0.001 4840 11.6
CdSe 1.7 0.055 5740 11.3
CdTe 1.5 0.06 0.005 5860 11
HgSe 0.6 1.85 8260 5.8
HgTe 0.02 1.6 0.016 8200
AIIB
VI
ZnTe 2.26 0.03 0.01[3]
Struktura pasmowa – półprzewodniki
2.3.2013 12
Ruchliwość elektronów jest ok. 2- krotnie większa niż ruchliwość dziur, a obie nie zależą od natężenia pola elektrycznego w dość szerokim zakresie.
Domieszkowanie GaAs może być dokonane pierwiastkiem grupy VI układu okresowego dla typu n lub grupy II- jako akceptorem(typu p). Natomiast pierwiastki grupy IV mogą być donorami lub jeśli są w małej koncentracji- akceptorami [1].
Ogólnie domieszkowanie powoduje nadmiar jednego rodzaju nośników- dziur- w przypadku domieszki akceptorowej ( typu p) i elektronów- w przypadku domieszki donorowej. Na następnym slajdzie przedstawiono barwy światła, które może zostać wygenerowane przy różnych wartościach energii przerwy zabronionej kryształu półprzewodnika
2013-11-13
3
2.3.2013 13 2.3.2013 14
Zależność szerokości pasma
zabronionego i długości fali światła
promieniowanego
Współczynniki dyfuzji i zależność Einsteina
Ge - Dn=93 cm2/s, Dp=44 cm2/s,
Si - Dn=38 cm2/s, Dp=13 cm2/s
kT
eDu
2.3.2013 15
Wytwarzanie półprzewodników Wymagania materiałowe
Mała szerokość pasma zabronionego
Łatwość wprowadzania domieszek – kontrolowana rezystywność w granicach 10-1 – 105 m
Energia aktywacji domieszek (1…5)10-2eV
Duża ruchliwość nośników ładunków ~>1000cm2/Vs
Długi czas życia nośników (10….1000s)
Możliwość uzyskiwania materiału wyjściowego o odpowiedniej czystości
Możliwość uzyskiwania struktury monokrystalicznej umiarkowanym nakładem kosztów
Trwałość chemiczna w normalnych warunkach klimatycznych
Dobre własności mechaniczne ( wytrzymałość, twardość)
Łatwość wykonywania wyprowadzeń
2.3.2013 16
Si Barwa ciemno-szara ,
gęstość 2,4 g/cm3. Temperatura topnienia 1420ºC. Odporny na działanie kwasów (wyjątek stanowi kwas azotowy). Rozpuszcza się w zasadach. Jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w przyrodzie - w związkach chemicznych, np. SiO2 (krzemionka) [5] http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:SiliconCroda.jpg
węglowodorów) 10-3 Tr, gęstość 109-1012 cząstek w cm3
Trawienie wiązką jonową
16.10.2013 48
Wady
2013-11-13
9
2.3.2013 49
References
MATERIAŁY PRZEWODZĄCE I PÓŁPRZEWODNIKOWE
(materiały pomocnicze do Technologii i Materiałoznawstwa
Elektronicznego)
- Ryszard Jarzyna
16.10.2013 50
Nanorurki
rurka z powierzchni grafenu zamknięta półsferą fullerenu C60, przy czym stosunek długości do jej średnicy jest rzędu kilku 1000. Wielościenne nanorurki są utworzone przez cylindry koncentryczne. Są to struktury wynitnie sztywne, a zarazem plastyczne. Rurka jednościenna ma moduł Younga rzędu terapascali 1 TPa= 103 GPa przy odkształceniu przy zerwaniu od 5% do 20% [3]. Poza tym nanorurki mają bardzo mała gęstość. Przewiduje się ich zastosowanie do wzmacniania cementu. Własności elektryczne wahaja się od metalicznych do półprzewodnikowych w zależności od orientacji komórek heksagonalnych w stosunku do osi nanorurki [3].
Takie nanorurki mogą służyć do produkcji emiterów polowych w płaskich monitorach komputerowych i telewizyjnych kolorowych. Produkcja takich wyświetlaczy powinna być tańsza i pobór mocy mniejszy niż w przypadku wyświetlaczy ciekłokrystalicznych czy ekranów CRT. Przewiduje się też, że z nanorurek można będzie wytwarzać diody i tranzystory [3].
16.10.2013 51
Nanorurka Si
16.10.2013 52
Domieszkowanie
półprzewodników Domieszkowanie półprzewodników nie tylko
wprowadza dominację jednego rodzaju nośników ale
również zmniejsza przerwę zabronioną. Typowa
koncentracja półprzewodników domieszkowych wynosi
ok. 1 atom domieszki na 106 atomów półprzewodnika
tworzącego monokryształ, przy czym w celu uzyskania
półprzewodnika typu n dodaje się As, Sb, P, Bi,
natomiast p- B, Al., Ga, In. W tabeli 4.3 podano
przykładowe rodzaje domieszek i odpowiadające im
energie jonizacji.
16.10.2013 53
Energia jonizacji
eV Pierwiastek
domieszki
Akceptor
/donor
Ge Si
B A 0.0104 0.045
Al A 0.0102 0.057
Ga A 0.0108 0.065
In A 0.0112 0.160
P D 0.0120 0.044
As D 0.0127 0.049
Sb D 0.0096 0.039
Bi D - 0.069
16.10.2013 54
Domieszkowanie GaAs może być dokonane pierwiastkiem grupy VI układu okresowego dla typu n lub grupy II- jako akceptorem(typu p). Natomiast pierwiastki grupy IV mogą być donorami lub jeśli są w małej koncentracji- akceptorami [1].
Ogólnie domieszkowanie powoduje nadmiar jednego rodzaju nośników- dziur- w przypadku domieszki akceptorowej ( typu p) i elektronów- w przypadku domieszki donorowej. Na rysunku 4.5. przedstawiono krzem, german i arsenek galu z możliwymi domieszkami obu typów i odpowiadające tym domieszkom poziomy.
2013-11-13
10
2.3.2013 55
Możliwe domieszki i odpowiadające
im poziomy energetyczne w eV w
krzemie,
Poradnik Inżyniera Elektronika WNT W-wa pod red. prof.. B. Paszkowskiego
ED
EA
Środek pasma
zabronionego
Li Sb P As S Bi Ag
0.18
O
0,39
0,35
A
0,045
0,057
0,16 0,065
0,55
0,26
0,35
0,54
A
0,31
B Al Tl In
0,37
0,24
0,52
0,22
Zn Cu
0,37
0,40
Au Fe
0,03
0,55
Co
Ni
0,33
Hg
0,34
Pt
0,37
0,36
0,33
Si
0,033
Ga
0,039 0,044 0,049
0,18 0,069
Mn
D
D
D
0,53
2.3.2013 56
Możliwe domieszki i odpowiadające
im poziomy energetyczne w eV w
germanie
Poradnik Inżyniera Elektronika WNT W-wa pod red. prof.. B. Paszkowskiego
Środek pasma
zabronionego
0,095 0,096 0,012 0,013
Li Sb P As
0,18
0,18
S Cu Ag Au Se
0,26
A
0.09
A
0,29
A
0,04
A
0,20
A
0,01 0,01
0,01 0,011 0,011
0,07
0,04
0,02
0,13 0,15
A
0,05D
B Al Tl Ga In Be
0,09
0,03
0,16
0,05
Zn Cd
0,37
A
0,16
Mn Fe
0,27
A
0,35
Co
0,31
A
0,25
Ni
0,30
A
0,22
Hg
0,23
0,83
Pt
0,20
A
0,04
Cr
0,12
0,07
0,14
0,26
ED
EA
Ge
2.3.2013 57
Możliwe domieszki i odpowiadające
im poziomy energetyczne w eV w
arsenku galu
Poradnik Inżyniera Elektronika WNT W-wa pod red. prof.. B. Paszkowskiego
ED
EA
Środek pasma
zabronionego
Te Si O
Cr
0,026 0,012
0,019 0,23 0,021
0,21
0,024
0,023
0,70
0,37
0,24
Mg C Mn Li
0,08
0,52 0,51
Zn Cu
0,023
Ge Fe Li Co
Ge Se
0,006
0,53
Ga As
0,003
Cd
Sn
0,15 0,143
Płytkie poziomy
Ni Si
0,63
D
0,16 0,096
0,002
D
2.3.2013 58
Krzem naprężony
Oprócz chemicznej modyfikacji własności krzemu głównie za pomocą domieszek przeprowadza się też modyfikacje fizyczne- np. poprzez wzrost epitaksjalny krzemu na podłożu o nieco innej stałej sieci krystalicznej. Właściwym podłożem do hodowania tego typu kryształów jest krzemek germanu SiGe, a na rys. 4.6. przedstawiono przykładowe stałe sieci krystalicznej. Krytyczna grubość warstwy epitaksjalnej ( zdolnej do elastycznej akomodacji) hC rośnie z maleniem temperatury epitaksji. Liczba warstw takiego krzemu nie może być zbyt duża, więc takie warstwy nie przekraczają kilkuset nm. Tej grubości krzem jest elastyczny i może znajdować zastosowanie w czujnikach np. nacisku. Dodatkową zaletą tego typu krzemu jest zwiększona ruchliwość nośników, co pozwala stosować tak wyprodukowane elementy prze znacznie wyższych częstotliwościach ( 100 GHz). Dzięki zwiększonej odległości między atomami Si w stosunku do typowej stałej siatki krystalicznej, siły międzyatomowe zostają nieco zredukowane i elektrony poruszają się ok. 70% szybciej, skracając czas przełączanie tranzystorów o ok. 35%.
16.10.2013 59
Przykładowe podłoża w procesie
epitaksji
Podłoże Typ siatki Stałe sieci
[Å] (obj.)
[10-6
/oC]
W/mK
Ttopn
[K]
Si R 5.43 4.2 (293-1473
K)
87.736
(293K) 1693
SiO2 H 4.9
5.39
8.0...13.4
(273-353 K) 1698
Al2O3 H 4.75
12.95
9.0
(293- 1473 K)
27.214
(373 K) 2303
B2O H 2.7
4.39
9.5
(293- 1473 K) 2858
MgO R 4.2 14.4
(293- 1473 K) 2915
Al2O3MgO R 8.0 8.8
(293- 1473 K)
2303...
2333
CaF2 R 5.45 2.4
(293-333 K)
12.56
(302 K) 1633
16.10.2013 60
Luminescencja
Absorbowanie energii i emitowanie jej w postaci
kwantów promieniowania widzialnego (foto-, elektro- i
chemi-);
Fluorescencja- jeśli pobudzenie luminoforu i emisja zachodza w
czasie ~10-8 s
Fosforescencja- jeśli emisja utrzymuje się po usunięciu źródła
pobudzającego
Skład luminoforów
– tlenki lub siarczki Zn, Ca, Cd, Mg, Be, W, Si
0.1-1% aktywatorów – Mn, Fe, Ag, Cr, Th
obecnie: CaHPO4, CaCO3, MnCO3, CaF2, Sb2O3, NH4Cl
2013-11-13
11
16.10.2013 61
Luminescencja (c.d.)
Katodoluminescencję wykorzystujemy do budowy ekranów kineskopów (CRT- cathode ray tube i TCRT- thin CRT), przy czym fluorescencję – do zwykłych monitorów i lamp oscyloskopowych, natomiast fosforescencję w specjalnych lampach oscyloskopowych o długiej poświacie.
Zjawiska elektroluminescencyjne są wykorzystywane w GaAs, GaP oraz GaAsP
Zjawiska fluorescencji ( np. II i IV grupy ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe)
w półprzewodnikach samoistnych 1023 atomów w cm3, w Ge w 300K 1013 zjonizowanych atomów w cm3
Rodzaje montażów:
Montowanie struktur
z kontaktem sferycznym ( flip- chip connection C4)
Połączenie lut – kulka w płycie montażowej BGA ( ball- grid array)
Montaż obudów układów scalonych, rezystorów , kondensatorów i przewodów do płytki drukowanej (PCB)
Flip-chip PBGA
Wymagane odstępy
między
wyprowadzeniami w
opakowaniu Motoroli
osiągają 150 µm (20.6.
2000r.)
Pola lutownicze
Rodzaje technologii w produkcji
masowej:
PTH – montaż do płytek z platerowanymi otworami
(plated- through –hole, przewlekane z otworami izolowanymi) – wyprowadzenia układów mikroelektronicznych są wkładane w otwory na płytce, a połączenia są wykonane między otworem a płytką drukowaną PCB
SMT – montaż powierzchniowy ( surface mount technology) – urządzenia mikroelektroniczne w obudowie są montowane bezpośrednio na powierzchni płytki drukowanej.
SMT- surface mount technology
Wszystkie metody projektowania i wykonywania połączeń bez dziur na wyprowadzenia
Cele
Redukcja wielkości, - rozmiarów i wagi płytki drukowanej
Redukcja liczby warstw w płycie
Redukcja długości ścieżek w celu skrócenia czasu przesyłania sygnału i zwiększenia szybkości działania
Redukcja kosztów montażu poprzez automatyzację procesu
Przeprojektowanie z technologii THT (Through - Hole Technology) z zachowaniem jakości i niezawodności- nie zawsze możliwe
2013-11-13
12
Zalety SMT :
duża gęstość upakowania, dzięki wyeliminowaniu
większości otworów jak również dzięki wykorzystaniu
obu powierzchni płytki drukowanej do umieszczania
elementów;
mniejsze odstępy między środkami wyprowadzeń,
możliwość montowania mniejszych elementów niż w
konwencjonalnej technologii PTH
redukcja zajmowanej objętości przez cały system.
Wymagania stawiane połączeniom między
elementami a PCB:
możliwości łączenia wyprowadzeń w niewielkich
odległościach wzajemnych ;
dobre własności elektryczne połączenia;
dobre własności mechaniczne – wytrzymałość
mechaniczna i odporność na udary;
dobre własności cieplne.
www.ibesmt.com ;
www.dataed.com.cn
Procesy fotolitograficzne
Projekt układu
Generator wzoru
Zapis
bezpośredni
Światłem Jonami
Elektronami
Płytka
półprzewodnikowa
Maski
wiązka el. jonów X
światłem
widzialnym
580-600nm
Urządzenia optyki klasycznej Kontaktowo
Zbliżeniowo (10-20m)
Projekcyjne – większa rozdzielczość
uv
maska
zwierciadło zwierciadło
obiektyw
płytka krzemowa
2013-11-13
13
Fotolitografia pozytywowa,
negatywowa
vlsi.imio.pw.edu.pl
Projektor
wiązki
elektro
nów
W litografii zsynchronizowanej fazowo-przestrzennie (SPLEBL) wiązka elektronów (e-beam) jest skierowana bezpośrednio na
siatkę podstawową (fiducial grid) na podłożu. Sygnał okresowy siatki (grid signal), tworzony przez współdziałanie wiązki
elektronów z siatką, stosuje się do śledzenia położenia wiązki
elektronów tak, że zapisany wzór (written pattern) jest umieszczony
w odniesieniu do siatki. Przestrzenny odstęp siatki p może być 200 nm lub mniej