WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA Elementy (przyrządy) elektroniczne

Transkrypt

1 Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA Elementy (przyrządy) elektroniczne Prof. dr hab. inż. Andrzej Jakubowski Prof. nzw. dr hab. inż. Lidia Łukasiak A. Jakubowski, L.Łukasiak Elementy elektroniczne Warszawa, luty 2010

2 Elementy (przyrządy) elektroniczne Przedmiot obejmuje wykład i ćwiczenia laboratoryjne 25 h wykładu, 4 ćwiczenia laboratoryjne Przedmiot egzaminacyjny

3 Elementy (przyrządy) elektroniczne Prowadzący: prof. dr hab. inż. Andrzej Jakubowski p. 337, Gmach Radiotechniki tel , prof. nzw. dr hab. Lidia Łukasiak p. 368, Gmach Elektroniki tel ,

4 Przyrządy półprzewodnikowe Przedmiot obejmuje wykład i laboratorium Kierownik laboratorium: dr inż. Agnieszka Zaręba p. 339, Gmach Radiotechniki tel , Z-ca kierownika laboratorium mgr inż. Józef Maciak p. 285 Gmach Elektroniki tel

5 Telefon Multimedia Nieograniczony dostęp zawsze do informacji i wszędzie Nieograniczony dostęp do informacji System przenośny zasilany baterią WIĘCEJ MNIEJ szybkość funkcje PC Video moc waga ciężar cena rozmiary

6 Elementy elektroniczne Rezystor (rezystancja) Kondensator (pojemność) Cewka (indukcyjność) U = R I i Q = = C C du dt U u = L di dt

7 Elementy (przyrządy) elektroniczne Przyrządy półprzewodnikowe Dioda (prostownicza, pojemnościowa, stabilizacyjna, tunelowa, elektroluminescencyjna, laserowa, fotodioda, itd.) Tranzystor (bipolarny, bipolarny z izolowaną bramką, MOS, polowy złączowy, heterozłączowy, HEMT, itd.) Tyrystor (diak, triak) inne

8 Światowe zasoby informacji podwajają się co rok M 40,000 BCE rysunki jaskiniowe narzędzia z kości pismo papier druk elektryczność, telefon M M M GIGABAJTY 93% nowej informacji tworzone jest w postaci cyfrowej tranzystor komputer Internet (DARPA) web 2000 multimedia Źródło: UC Berkeley School of Information Management and Systems 8

9 Dostęp do informacji rośnie wykładniczo [Miliony] Ok. 3 miliardy użytkowników urządzeń bezprzewodowych Ok. 1.5 miliarda użytkowników urządzeń bezprzewodowych milionów komputerów osobistych 26,000 komputerów 330 milionów użytkowników Internetu Źródło: IDC

10 Liczba_operacji/sek/1000$ 1.E+09 1.E+06 1.E+03 1.E+00 1.E-03 1.E-06 Elektromechaniczne ( ) podwaja się co 7,5 roku Lampy, tranzystory ( ) podwaja się co 2,3 roku Mikroprocesory ( ) podwaja się co rok Rok Według: R. Kurtzweil, Accelerated Living

11 Kamienie milowe w elektronice Lee de Forest 1907 Trioda Shockley Brattain Bardeen 1947 Tranzystor bipolarny 1954 Maser Laser Townes Prochorow Basow

12 Pierwszy tranzystor ostrzowy: grudzień 1947 Twórcy tranzystora ostrzowego John Bardeen Walter Brattain Przy mikroskopie szef grupy: William Bradford Shockley - twórca tranzystora złączowego Nagroda Nobla- 1956

13 Tranzystor ostrzowy zadziałał 16 grudnia grudnia 1947 Pokaz dla kierownictwa laboratorium

14 1971: Pierwszy mikroprocesor Intel bitowy, 2300 tranzystorów (10μm) zegar 108 khz (0.06 MIPS) Procesor Itanium milionów tranzystorów Procesor MONTECITO(2004/2007,90nm) 1700 milionów tranzystorów Procesor TUKWILA (2009?,45nm) >2000 milionów tranzystorów 14

15 ENIAC pow. pokoju: ~ 170 m 2 masa: ~ 30 ton liczba lamp: ~ 18 tys. koszt: ~ 0.5 mln USD 15

16 Konsekwencje miniaturyzacji Układ scalony realizujący wszystkie funkcje ENIACa ENIAC Wymiar charakt. 0.5 µm Rozmiary: 7.44mm x 5.29 mm Liczba tranz.: 174,569 Obudowa: 132 pin PGA Źródło: From Vacuum Tubes to Microchip History, Operation and Reconstruction in VLSI Jan Van der Spiegel University of Pennsylvania 16

17 Układ scalony: Wiele tranzystorów połączonych ze sobą w jednym chipie Fairchild HP Intel Tranzystory 1981 ~ ½ Miliona 2004 ~ 1.72 Miliarda Prawo Moore a Liczba tranzystorów w układach scalonych rośnie wykładniczo 17

18 PRAWO MOORE A Liczba tranzystorów w strukturze Tukwila Montecito Itanium 2 Pentium 4 Pentium Pro ROK Źródło: INTEL

19 Co to jest półprzewodnik? Pół przewodnik Dobry przewodnik prądu metale np. Al, Cu Si Ge GaAs InP GaN CdTe HgTe Dobry izolator elektryczny SiO 2 Al 2 O 3 Mika Teflon A. Jakubowski, L. Łukasiak, S. Szostak, Elektronika 1

20 E = q V Energia elektronu Potencjał elektronu Pasmo przewodnictwa Przerwa energetyczna Pasmo podstawowe (walencyjne)

21 Pasmo podstawowe (walencyjne) Przerwa energetyczna Pasmo przewodnictwa E = q V + - Energia elektronu Potencjał elektronu

22 Zamiana energii promieniowania (np. słonecznego) na energię elektryczną pasmo przewodnictwa generacja przerwa energetyczna para elektron dziura foton pasmo podstawowe

23 Zamiana energii elektrycznej na energię promieniowania pasmo przewodnictwa np. laser para elektron dziura rekombinacja przerwa energetyczna pasmo podstawowe foton

24 Liczba atomów krzemu w jednym centymetrze sześciennym ~ Czysty krzem w temperaturze pokojowej koncentracja par elektron-dziura/ cm 3 oznacza, że tylko 1 atom krzemu na 5,000,000,000,000 ( , 5 trylionów) stracił elektron wskutek energii termicznej

25 Domieszkowanie, czyli zmiana właściwości elektrycznych półprzewodnika czysty kryształ krzemu dodanie odrobiny fosforu dużo elektronów (typ n) Bardzo małe i równe liczby elektronów i dziur dodanie odrobiny boru dużo dziur (typ p)

26 Półprzewodnik typu n Bardzo dużo zjonizowanych atomów fosforu Równie dużo elektronów Bardzo mało dziur

27 Półprzewodnik typu p Bardzo dużo zjonizowanych atomów boru Równie dużo dziur Bardzo mało elektronów

28 Liczba atomów krzemu w jednym centymetrze sześciennym ~ Przykładowa liczba atomów domieszek w jednym centymetrze sześciennym (koncentracja) ~

29 1 atom domieszki przypada na atomów krzemu Nadal czysty, krystaliczny materiał ALE drastyczna zmiana właściwości elektrycznych

30 Za pomocą koncentracji domieszek można precyzyjnie kontrolować przewodność półprzewodnika (zakres zmian dla krzemu wynosi ponad razy)

31 Półprzewodniki: Si, Ge, C (IV grupa) Krzem i german Domieszki typu p: B, Ga, In Domieszki typu n: P, As B Bor Aluminium 2.70 Al 31 Ga Gal C Węgiel Si Krzem 32 Ge German N Azot P Fosfor 33 As Arsen 5.72

32 Związki półprzewodnikowe: 1. A IV B IV : SiGe, SiC, SiGeC 2. A III B V : GaAs, InP, GaAsP 3. Azotki: GaN, AlN, InN, GaAlN 4. A II B VI : CdSe, HgTe, HgCdTe B Bor Aluminium 2.70 Al 31 Ga Gal C Węgiel Si Krzem 32 Ge German N Azot P Fosfor 33 As Arsen 5.72

33 Krzem jest ogólnie dostępny, chociaż niekoniecznie w postaci nadającej się do zastosowania w elektronice Technologia krzemowa Od piasku do krzemu Łatwo dostępny surowiec (piasek) przetwarza się następnie do postaci polikryształów, a potem monokryształów

34 Stosowany obecnie najczęściej proces monokrystalizacji krzemu został opracowany przez profesora PW Jana Czochralskiego Od krzemu do przetworzonej płytki Technologia krzemowa Monokryształy o odpowiednich właściwościach (typ przewodnictwa, rezystywność) są cięte na płytki, na których następnie wytwarza się odpowiednie układy

35 Wyciąganie monokryształów krzemu Pręt monokryształu krzemu o średnicy 300 mm (12 cali) Ciężar ok. 250 kg!!! Źródło: Smithsonian, 2000

36 Ziemia jest planetą krzemową 27,7% litosfery Za zgodą Autora

37 Skład chemiczny litosfery*( wybrane pierwiastki) w procentach wagowych Tlen ( O ) 46,6 Krzem (Si ) 27,7 Aluminium (Al ) 8,1 Żelazo ( Fe ) 5,0 Magnez (Mg ) 2,1 Tytan (Ti ) 0,6 Węgiel (C ) 0,13 * Wodoru ( 10,7% hydrosfery) i azotu (75,5% atmosfery) nie brakuje

38 Krzem jest najtańszy InP 4 GaAs 6 Si 12 Materiał Si GaAs InP (średnica płytki) (12 ) (6 ) (4 ) Cena płytki Cena 1 mm Cenę podano w jednostkach względnych. Średnice płytek to stan najbardziej zaawansowanej technologii produkcji masowej w 2006 r.

39 Technologia krzemowa Płytka jest cięta na pojedyncze układy scalone, np. układy logiczne, mikroprocesory, itd. Układ scalony składa się z tysięcy, a nawet milionów struktur półprzewodnikowych głównie tranzystorów 15x15mm 2 mikroprocesor

40 Budowa układów scalonych wymaga ultra czystych, bardzo precyzyjnych fabryk

41 Technologia krzemowa 5x5μm 2 MOSFET W tym przypadku układ scalony składa się z ok. 9 mln. tranzystorów MOS (MOSFET) MOS = Metal Oxide Semiconductor FET = Field Effect Transistor

42 Technologia krzemowa Na tym wykładzie zajmować się będziemy głównie zasadą działania tranzystorów, ich modelami i parametrami przyrząd Ten wykład

43 Tranzystor to sterowane źródło prądowe Sygnał sterujący TRANZYSTOR Prąd + V -

44 Dwa główne zastosowania tranzystorów: przełączanie i wzmacnianie Przełącznik (Elektronika cyfrowa) Wzmacniacz (Elektronika analogowa) TRANZYSTOR TRANZYSTOR + V - np. mikroprocesor, pamięć + V - np. czujnik, radio

45 Złącze p-n P N Złącze p-n tworzy się na styku dwóch półprzewodników o różnym typie przewodnictwa. Występuje ono w niemal wszystkich przyrządach półprzewodnikowych.

46 Złącze metal-półprzewodnik (m-s) Złącze m-s wykorzystuje się jako kontakt omowy do przyrządów półprzewodnikowych lub jako diodę z barierą Schottky ego.

47 Tranzystor bipolarny N P N Tranzystor bipolarny tworzą dwa odpowiednio skonstruowane i współdziałające ze sobą złącza p-n

48 Tranzystor bipolarny w układzie scalonym BJT: Bipolar Junction Transistor HBT: Heterojunction Bipolar Transistor kontakt emitera kontakt bazy kontakt kolektora warstwa zagrzebana SiO 2 N P P+ dyfuzja izolacji podłoże P

49 Kondensator MOS Najprostsza struktura MOS metal tlenek SiO 2 półprzewodnik

50 Tranzystor MOS DIELEKTRYK P N P Podstawowy przyrząd (element) mikroelektroniki i nanoelektroniki. Tworzą go dwa złącza p-n i kondensator MOS

51 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET BRAMKA ŹRÓDŁO L eff X J DREN Podłoże krzemowe

52 Technologia CMOS CMOS W ROKU 2007

53 Produkcja elementów CMOS

54 Cykl życiowy technologii CMOS ANALOGOWA BIPOLARNA BiCMOS Diament SiC GaN SOI SiGe GaAs(InP) S/LS TTL ECL TTL HMOS NMOS PMOS Wprowadzenie Wzrost Dojrzałość Nasycenie Zmierzch Zapomnienie

55 Płytka krzemowa (12 cali,~300mm) kontakt do źródła U S kontakt do drenu bramka U G U D t ox n + x j n + SiO 2 źródło L dren. podłoże p-si kontakt do podłoża U B W Struktura, Chip krzemowy chip (~ 1.5 cm 2 ) Przyrząd Device element,tranzystor (MOS,F<100nm) Tranzystor MOS

56 Płytka wafer Następna generacja F F/ 2 Wymiar / liczba elementów Struktura Chip. Przyrząd Device Aktualnie (2009): 2 miliardy tranzystorów/chip (INTEL, Ithanium) 2020 (prognoza ITRS 2006): ~50 miliardów tranzystorów/chip (? ) mikrometry 1k 1M 1G 1T nanometry Koszt funkcji spada 25% / rok?

57 Skalowanie kontakt do źródła U S U G bramka U D kontakt do drenu tlenek polowy t ox n + x j n + źródło L dren podłoże p-si U B S x (L, W, t ox, x j ) S x (U T, U G, U D ) S 2 x (UI) S 3 x (CU 2 ) W S S = 0.2 n + n + źródło dren podłoże p-si

58 Funkcja zaimplementowana w: jednej strukturze wielu strukturach krzemowych kilku strukturach krzemowych Funkcja Szybkość Koszt

59 POTRZEBY POTRZEBY POTRZEBY MATERIAŁY PRZYRZĄDY UKŁADY SYSTEMY MOŻLIWOŚCI MOŻLIWOŚCI MOŻLIWOŚCI SKALA INTEGRACJI INTEGRACJA WIEDZY SOC System On Chip Mikrosystemy

60 Możliwości przetwarzania i przesyłania informacji LAMPY? NANO-ELEKTRONIKA NANO-FOTONIKA TRANZYSTORY MIKROELEKTRONIKA LASERY Lata