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
Elementy (przyrządy) elektroniczne Przedmiot obejmuje wykład i ćwiczenia laboratoryjne 25 h wykładu, 4 ćwiczenia laboratoryjne Przedmiot egzaminacyjny
Elementy (przyrządy) elektroniczne Prowadzący: prof. dr hab. inż. Andrzej Jakubowski p. 337, Gmach Radiotechniki tel. 0-22 234-7534, 0-22 234-7773 prof. nzw. dr hab. Lidia Łukasiak p. 368, Gmach Elektroniki tel. 0-22 234-7147, lukasiak@imio.pw.edu.pl
Przyrządy półprzewodnikowe Przedmiot obejmuje wykład i laboratorium Kierownik laboratorium: dr inż. Agnieszka Zaręba p. 339, Gmach Radiotechniki tel. 0-22 660-7773, 0-22 660-7775 Z-ca kierownika laboratorium mgr inż. Józef Maciak p. 285 Gmach Elektroniki tel. 0-22 660-7775
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
Elementy elektroniczne Rezystor (rezystancja) Kondensator (pojemność) Cewka (indukcyjność) U = R I i Q = = C C du dt U u = L di dt
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
Światowe zasoby informacji podwajają się co rok 2003 24M 40,000 BCE rysunki jaskiniowe narzędzia z kości pismo papier druk elektryczność, telefon 2002 12M 2001 6M 2000 3M 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
Dostęp do informacji rośnie wykładniczo [Miliony] 3000 2500 Ok. 3 miliardy użytkowników urządzeń bezprzewodowych Ok. 1.5 miliarda użytkowników urządzeń bezprzewodowych 2000 1500 1000 500 155 milionów komputerów osobistych 26,000 komputerów 330 milionów użytkowników Internetu 0 1990 1995 2000 2005 Źródło: IDC 2008 9
Liczba_operacji/sek/1000$ 1.E+09 1.E+06 1.E+03 1.E+00 1.E-03 1.E-06 Elektromechaniczne (1890-1945) podwaja się co 7,5 roku Lampy, tranzystory (1945-1985) podwaja się co 2,3 roku Mikroprocesory (1985-2000) podwaja się co rok 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Rok Według: R. Kurtzweil, Accelerated Living
Kamienie milowe w elektronice Lee de Forest 1907 Trioda Shockley Brattain Bardeen 1947 Tranzystor bipolarny 1954 Maser Laser Townes Prochorow Basow
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
Tranzystor ostrzowy zadziałał 16 grudnia 1947 23 grudnia 1947 Pokaz dla kierownictwa laboratorium
1971: Pierwszy mikroprocesor Intel 4004 4-bitowy, 2300 tranzystorów (10μm) zegar 108 khz (0.06 MIPS) Procesor Itanium 2 410 milionów tranzystorów Procesor MONTECITO(2004/2007,90nm) 1700 milionów tranzystorów Procesor TUKWILA (2009?,45nm) >2000 milionów tranzystorów 14
ENIAC - 1946 pow. pokoju: ~ 170 m 2 masa: ~ 30 ton liczba lamp: ~ 18 tys. koszt: ~ 0.5 mln USD 15
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
Układ scalony: Wiele tranzystorów połączonych ze sobą w jednym chipie Fairchild HP Intel 1961 4 Tranzystory 1981 ~ ½ Miliona 2004 ~ 1.72 Miliarda Prawo Moore a Liczba tranzystorów w układach scalonych rośnie wykładniczo 17
PRAWO MOORE A Liczba tranzystorów w strukturze 10 10 10 09 10 08 10 07 10 06 10 05 10 04 10 03 4004 Tukwila Montecito Itanium 2 Pentium 4 Pentium Pro 8036 8086 1970 1980 1990 2000 2010 ROK Źródło: INTEL
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
E = q V Energia elektronu Potencjał elektronu Pasmo przewodnictwa Przerwa energetyczna Pasmo podstawowe (walencyjne)
Pasmo podstawowe (walencyjne) Przerwa energetyczna Pasmo przewodnictwa E = q V + - Energia elektronu Potencjał elektronu
Zamiana energii promieniowania (np. słonecznego) na energię elektryczną pasmo przewodnictwa generacja przerwa energetyczna para elektron dziura foton pasmo podstawowe
Zamiana energii elektrycznej na energię promieniowania pasmo przewodnictwa np. laser para elektron dziura rekombinacja przerwa energetyczna pasmo podstawowe foton
Liczba atomów krzemu w jednym centymetrze sześciennym ~ 5 10 22 Czysty krzem w temperaturze pokojowej koncentracja 10 10 par elektron-dziura/ cm 3 oznacza, że tylko 1 atom krzemu na 5,000,000,000,000 (5 10 12, 5 trylionów) stracił elektron wskutek energii termicznej
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)
Półprzewodnik typu n Bardzo dużo zjonizowanych atomów fosforu Równie dużo elektronów Bardzo mało dziur
Półprzewodnik typu p Bardzo dużo zjonizowanych atomów boru Równie dużo dziur Bardzo mało elektronów
Liczba atomów krzemu w jednym centymetrze sześciennym ~ 5 10 22 Przykładowa liczba atomów domieszek w jednym centymetrze sześciennym (koncentracja) ~ 5 10 16
1 atom domieszki przypada na 1 000 000 atomów krzemu Nadal czysty, krystaliczny materiał ALE drastyczna zmiana właściwości elektrycznych
Za pomocą koncentracji domieszek można precyzyjnie kontrolować przewodność półprzewodnika (zakres zmian dla krzemu wynosi ponad 1 000 000 razy)
Półprzewodniki: Si, Ge, C (IV grupa) Krzem i german Domieszki typu p: B, Ga, In Domieszki typu n: P, As 5 2.34 13 B Bor Aluminium 2.70 Al 31 Ga Gal 5.91 6 2.62 14 2.33 C Węgiel Si Krzem 32 Ge German 5.32 7 1.251 15 1.82 N Azot P Fosfor 33 As Arsen 5.72
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 5 2.34 13 B Bor Aluminium 2.70 Al 31 Ga Gal 5.91 6 2.62 14 2.33 C Węgiel Si Krzem 32 Ge German 5.32 7 1.251 15 1.82 N Azot P Fosfor 33 As Arsen 5.72
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
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
Wyciąganie monokryształów krzemu Pręt monokryształu krzemu o średnicy 300 mm (12 cali) Ciężar ok. 250 kg!!! Źródło: Smithsonian, 2000
Ziemia jest planetą krzemową 27,7% litosfery Za zgodą Autora
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
Krzem jest najtańszy InP 4 GaAs 6 Si 12 Materiał Si GaAs InP (średnica płytki) (12 ) (6 ) (4 ) Cena płytki 1 4 10 Cena 1 mm 2 1 16 90 Cenę podano w jednostkach względnych. Średnice płytek to stan najbardziej zaawansowanej technologii produkcji masowej w 2006 r.
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
Budowa układów scalonych wymaga ultra czystych, bardzo precyzyjnych fabryk
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
Technologia krzemowa Na tym wykładzie zajmować się będziemy głównie zasadą działania tranzystorów, ich modelami i parametrami przyrząd Ten wykład
Tranzystor to sterowane źródło prądowe Sygnał sterujący TRANZYSTOR Prąd + V -
Dwa główne zastosowania tranzystorów: przełączanie i wzmacnianie Przełącznik (Elektronika cyfrowa) Wzmacniacz (Elektronika analogowa) TRANZYSTOR TRANZYSTOR + V - np. mikroprocesor, pamięć + V - np. czujnik, radio
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.
Złącze metal-półprzewodnik (m-s) Złącze m-s wykorzystuje się jako kontakt omowy do przyrządów półprzewodnikowych lub jako diodę z barierą Schottky ego.
Tranzystor bipolarny N P N Tranzystor bipolarny tworzą dwa odpowiednio skonstruowane i współdziałające ze sobą złącza p-n
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
Kondensator MOS Najprostsza struktura MOS metal tlenek SiO 2 półprzewodnik
Tranzystor MOS DIELEKTRYK P N P Podstawowy przyrząd (element) mikroelektroniki i nanoelektroniki. Tworzą go dwa złącza p-n i kondensator MOS
Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor MOSFET BRAMKA ŹRÓDŁO L eff X J DREN Podłoże krzemowe
Technologia CMOS CMOS W ROKU 2007
Produkcja elementów CMOS
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
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
Płytka wafer Następna generacja F F/ 2 Wymiar / liczba elementów 100 1 Struktura Chip. Przyrząd Device Aktualnie (2009): 2 miliardy tranzystorów/chip (INTEL, Ithanium) 2020 (prognoza ITRS 2006): ~50 miliardów tranzystorów/chip (? ) 10 1 0.1 0.01 0.001 mikrometry 1k 1M 1G 1T nanometry 1 1950 1970 1990 2010 2030 2050 Koszt funkcji spada 25% / rok? 100 10
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
Funkcja zaimplementowana w: jednej strukturze wielu strukturach krzemowych kilku strukturach krzemowych Funkcja Szybkość Koszt
POTRZEBY POTRZEBY POTRZEBY MATERIAŁY PRZYRZĄDY UKŁADY SYSTEMY MOŻLIWOŚCI MOŻLIWOŚCI MOŻLIWOŚCI SKALA INTEGRACJI INTEGRACJA WIEDZY SOC System On Chip Mikrosystemy
Możliwości przetwarzania i przesyłania informacji LAMPY? NANO-ELEKTRONIKA NANO-FOTONIKA TRANZYSTORY MIKROELEKTRONIKA LASERY Lata