AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki ELEMENTY ELEKTRONICZNE dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, piotr.dziurdzia@agh.edu.pl dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, ireneusz.brzozowski@agh.edu.pl ZAGADNIENIA TERMICZMNE W ELEMENTACH ELEKTRONICZNYCH EiT 2014 r. PD&IB 2 1
MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA P R O B L E M? Jeden z tranzystorów układu scalonego o wymiarach 1µm x 1µm x 1µm rozprasza 1mW mocy elektrycznej (np. MOS. I D =1mA przy U DS =1V) Jaką gęstość mocy zanotujemy:? P? 10 15 [W/m 3 ]!!! V EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 3 MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA Gęstość mocy we wnętrzu układu scalonego jest większa niż w reaktorze jądrowym!!! W 1 =10 15 W/m 3!!! W 1 >W 2 W 2 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 4 2
MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA SPRZĘŻENIE ELEKTROTERMICZNE Wydzielana w układzie moc Zmiana temperatury w sąsiedztwie elementu mocy Zmiana parametrów elektrycznych mikrostruktury pod wpływem zmian temperatury EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 5 MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA DROGI ROZPRASZANIA CIEPŁA Q T P(t) moc wydzielana w układzie Q L P(t) Q B ciepło rozpraszane przez dolną powierzchnię układu scalonego Q B Q T ciepło rozpraszane przez górną powierzchnię układu scalonego Q L ciepło rozpraszane przez wyprowadzenia układu scalonego EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 6 3
SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA PRZEWODZENIE EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 7 SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA KONWEKCJA Konwekcja, inaczej unoszenie ciepła, jest procesem przekazywania ciepła z powierzchni ciała stałego do otaczającego płynu (gaz lub ciecz). Przekazywanie ciepła odbywa się zatem nie tylko przez przewodnictwo cieplne, ale i poprzez ruch swobodnych molekuł. Naturalna konwekcja jest spowodowana miejscową różnicą gęstości medium i w jej procesie rozrzedzony płyn unosi się ku górze w obecności pola grawitacyjnego. RADIACJA W procesie radiacji nie uczestniczy żadne medium pośredniczące. Ciepło jest transmitowane do otoczenia poprzez fale elektromagnetyczne (najskuteczniej w próżni). Ilość emitowanego ciepła zależy tylko od temperatury i emisyjności powierzchni materiału z którego jest wykonana. Procesem radiacji rządzi prawo Stefana- Boltzmanna, zgodnie z którym energia radiacji jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury. EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 8 4
REZYSTANCJA TERMICZNA T x, y, z, t wx, y, z, t C T x, y, z, t t gdzie: - współczynnik przewodności cieplnej [W/mK], C - pojemność cieplna właściwa [J/m 3 K], w rozkład gęstości generowanej mocy cieplnej [W/m 3 ] To x ( 3, l 3, c 3, m 3, S 3 ) ( 2, l 2, c 2, m 2, S 2 ) Tj ( 1, l 1, c 1, m 1, S 1 ) - przewodność cieplna, l grubość warstwy, c ciepło właściwe, m masa, S powierzchnia warstwy EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 9 REZYSTANCJA TERMICZNA To x ( 3, l 3, c 3, m 3, S 3 ) ( 2, l 2, c 2, m 2, S 2 ) ( 1, l 1, c 1, m 1, S 1 ) Tj T j (t) R th_1 R th_2 R th_3 T 0 (t) P(t) Tj T P l l l T PR R R 1 2 3 0 0 th_1 th_ 2 th_3 S1 1 S2 2 S 3 3 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 10 5
POJEMNOŚĆ TERMICZNA To x ( 3, l 3, c 3, m 3, S 3 ) ( 2, l 2, c 2, m 2, S 2 ) ( 1, l 1, c 1, m 1, S 1 ) Tj C th 4C l S 4 2 R 2 th C c T j (t) R th_1 R th_2 R th_3 T 0 (t) P(t) C th_1 C th_2 C th_3 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 11 MODEL TERMICZNY Przykładowy model elektrotermiczny obudowy układu scalonego Q T Q T Q L radiator Q B mikrostruktura metaliczne wyprowadzenia z mikrostruktury P(t) Q L dolna część obudowy mikrostruktury Q B EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 12 6
CIEPŁO, CZY ZAWSZE PROBLEM? Element wprowadzany w ruch zmianami temperatury p-si p-si p-si p-si EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 13 CIEPŁO, CZY ZAWSZE PROBLEM? MIKROMASZYNY MEMS 1 µm 'Courtesy of Sandia National Laboratories, SUMMiT(TM) Technologies, www.mems.sandia.gov' EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne zagadnienia termiczne 14 7
MODUŁ PELTIERA 30mm q c Cu 3mm 30mm (-) (+) q h q h EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 15 MODUŁ PELTIERA EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 16 8
MODUŁ PELTIERA www.lairdtech.com EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 17 MODUŁ PELTIERA x 1 2 P N P N P N 3 T Temperatura względna 1 radiator, 2 moduł termoelektryczny, 3 - mikroukład Q h Q U I c pel EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 18 9
MODUŁ PELTIERA Q h = *T h (t)*i pel (t) x Al 2 O 3 Cu Bi 2 Te 3 T h (t) P j =R*I 2 pel(t) Cu T c (t) Al 2 O 3 Q c = *T c (t)*i pel (t) EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 19 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO SEEBECKA Zjawisko Seebecka opisuje indukowanie się siły termoelektrycznej w obwodzie składającym się z dwóch różnych przewodników, których połączenia znajdują się w różnych temperaturach. Indukowane napięcie termoelektryczne U zależy od temperatury. Współczynnik s jest charakterystyczny dla zastosowanego materiału przewodnika. T+T T Przewodnik 2 Przewodnik 2 T+T T+T U=s 1 T-s 2 (T-T)-s 2 T= =s 12 T=(s 1 -s 2 ) T U s T s 2 T... 1 2 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 20 10
ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO PELTIERA Zjawisko Peltiera opisuje procesy zachodzące na złączu dwóch różnych przewodników przy przepływie prądu elektrycznego. W zależności od kierunku przepływu prądu złącze pochłania lub wydziela ciepło do otoczenia. Efektywność zachodzących procesów zależy od różnicy poziomów energetycznych pasm przewodnictwa zastosowanych przewodników. q c przewodnik_1 e q h Ciepło pochłaniane przez złącze Temperatura obniża się e przewodnik_2 Ciepło wydzielane przez złącze Temperatura wzrasta EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 21 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO PELTIERA pasmo przewodnictwa pasmo przewodnictwa poziom E Fermiego Metal_1 Q T poziom Fermiego T Półprzewodnik T poziom Fermiego Metal_2 p I pel pasmo przewodnictwa EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 22 11
ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO THOMSONA Zjawisku Thomsona musi towarzyszyć przepływ prądu elektrycznego pod wpływem przyłożonego z zewnątrz napięcia. Jeżeli jednorodny przewodnik znajduje się w polu gradientu temperatury, to w zależności od kierunku przepływającego prądu ciepło jest pochłaniane lub wydzielane z jego objętości T 1 q c T 1 +T Q t e q h e dt T I dx gdzie: T współczynnik Thomsona [Vm/K], I prąd elektryczny [A] x EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 23 ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO ZJAWISKO JOULE A Q j I 2 R Z uwagi na zależność rezystywności od temperatury oraz ze względu na znaczne gradienty temperatury występujące w pracujących modułach termoelektrycznych, właściwą formułą opisującą wydzielane w nich ciepło Joule'a jest wzór: Q j l ( T I S 0 2 ) dx gdzie: (T) rezystywność materiału [m], l długość przewodnika [m], S powierzchnia przekroju poprzecznego przewodnika [m 2 ] EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 24 12
MODUŁ PELTIERA Q c I R 2 pel Bi2Te3 Tc I pel Bi2 Te3 2 T h T c Q h I R 2 pel Bi2Te3 Th I pel Bi2 Te3 2 T h T c EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 25 MODEL MODUŁU PELTIERA Zależności termiczne parametrów modułów Peltiera 0.8 3.2 [W/ o C] R [Ω] 0.7 2.8 0.6 81.4% 2.4 80% 0.5 54 2.0 [mv/ o C] 0.4-20 0 20 40 60 T [ o C] 80 100 120 52 1.6-20 0 20 40 60 T [ o C] 80 100 120 50 13% 48 46-20 0 20 40 60 T [ o C] 80 100 120 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 26 13
MODEL MODUŁU PELTIERA Ekwiwalentny model modułu termoelektrycznego EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 27 MOC CIEPLNA MODUŁU PELTIERA P. Górecki : Ogniwa Peltiera, Elektronika Praktyczna 1/96, Warszawa 1996 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne moduł Peltiera 28 14
GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY ubiquitous computing s dream of wireless sensors everywhere is accompanied by the nightmare of battery replacement and disposal Przykład: Gęstość energii we współczesnych bateriach osiąga 3.8 kj/cm 3. Aby zagwarantować 10-letni okres nieprzerwanej pracy dla urządzenia o średnim poborze mocy 1mW trzeba wyposażyć go w baterię o objętości 100cm 3!? Szybkość procesorów, gęstość pamięci, szerokość pasma sieci transmisyjnych wzrastała w ostatnich latach w tempie eksponencjalnym. Ta właściwość nie była udziałem baterii, znaczące zmiany w tym względzie nie są nawet antycypowane w przyszłości! EiT 2014` r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 29 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY Źródła energii pochodzącej ze środowiska DRGANIA piezoelectric ~200µW electrostatic 50-100µW CIEPŁO <20µW 10 o C gradient ŚWIATŁO <10µW TŁO ELEKTRO-MAGNETYCZNE <1µW Szacunkowa moc elektryczna otrzymywana w obiektach zamkniętych z 1cm 2 lub 1cm 3 materiału konwertera EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 30 15
GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY I PEL Radiator R L U S Moduł Peltiera (TEM) P=I PEL2 R L ŹRÓDŁO CIEPŁA Ciepło odpadowe z procesów przemysłowych, geotermiczne, izotopy, paliwa kopalne Radiator Antena Moduł Peltiera Układ przetwarzający napięcie Węzeł sieci bezprzewodowej Źródło ciepła Układ magazynujący energię EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 31 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY T h TEG T c T a U S T a I L Moc wyjściowa P L w funkcji obciążenia prądowego I l dla różnych gradientów temperatury EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 32 16
GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 33 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY Ciepło ciała ludzkiego jako źródło energii do zasilania układów elektronicznych P human Przepływ mocy cieplnej P human generowanej przez ciało człowieka (~30mW/cm 2 ) P el = ok. 3% P human EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 34 17
GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY Ciepło ciała ludzkiego jako źródło energii do zasilania układów elektronicznych Przy całkowitym bezruchu człowiek uwalnia ok. 80W mocy cieplnej Podczas wysiłku fizycznego przemiana materii wzrasta i może sięgnąć aż 800W! EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 35 GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY Źródło: Joseph A. Paradiso, Thad Starner, Energy scavenging for mobile and wireless electronics, Published by the IEEE CS and IEEE ComSoc, 2005 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 36 18
GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne generator tremoelektryczny 37 Technologie półprzewodnikowe EiT 2014 r. PD&IB 38 19
WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW POZIOMA METODA BRIDGAMA ZARODEK KRYSZTAŁ STOPIONA STREFA POLIKRYSZTAŁ GRZEJNIK EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 39 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW METODA CZOCHRALSKIEGO EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 40 20
WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW METODA CZOCHRALSKIEGO EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 41 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW METODA CZOCHRALSKIEGO EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 42 21
WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW METODA BEZTYGLOWA EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 43 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW WAFER płytka podłożowa (np. krzemu) powstała z pociętego pręta krzemowego EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 44 22
WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW EPITAKSJA Technika wzrostu kryształów z roztworów i z fazy gazowej na istniejącym podłożu krystalicznym. Najważniejszym zastosowaniem tej techniki jest wytwarzanie cienkich warstw monokrystalicznych. Jej cechą jest możliwość otrzymywania materiałów półprzewodnikowych w temperaturach dużo niższych niż temperatura topnienia. GaAs+Ga GaAs Stopiony roztwór o temperaturze dużo niższej niż temperatura topnienia samego GaAs Warstwa epitaksjalna Podłoże EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 45 WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW EPITAKSJA Warstwa epitaksjalna ma identyczną orientacje sieci krystalicznej jak podłoże, ale może różnić się własnościami elektrofizycznymi. Może mieć inny poziom domieszkowania, a nawet inny typ przewodnictwa, itp. Metoda osadzania chemicznego 1 zwojnica indukcyjna, 2- płytki podłożowe, 3 podstawka kwarcowa, 4 podstawka grafitowa, 5 - rura kwarcowa Rysunek zaczerpnięto z W. Marciniak Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT 1979 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 46 23
DOMIESZKOWANIE PÓŁPRZEWODNIKÓW DYFUZJA W odpowiednio wysokiej temperaturze możliwa jest dyfuzja atomów w głąb płytki podłożowej. dyfuzja z nieograniczonego źródła (o stałej wydajności) dyfuzja z ograniczonego źródła M całkowita liczba atomów Rysunek zaczerpnięto z W. Marciniak Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT 1979 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 47 DOMIESZKOWANIE PÓŁPRZEWODNIKÓW IMPLANTACJA JONÓW Bombardowanie kryształu jonami domieszek rozpędzonymi do dużych energii (setki kev). Implantację przeprowadzana jest w stosunkowo niskich temperaturach. Implantacja może być przeprowadzana poprzez warstwy tlenku, lecz na ogół nie zachodzi przez warstwę metalu. Implantacja stosowana jest do wytwarzania bardzo cienkich warstw, do wprowadzania domieszek, które nie mogą być wprowadzone poprzez dyfuzję. Implantacja pozwala na uzyskanie bardzo dokładnej geometrii i jakości obszarów domieszkowanych. EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 48 24
DOMIESZKOWANIE PÓŁPRZEWODNIKÓW IMPLANTACJA JONÓW 1 źródło jonów, 2 układ przyspieszenia jonów, 3 analizator masy, 4 układ odchylania, 5 komora z podgrzewanym podłożem Rysunek zaczerpnięto z W. Marciniak Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, WNT 1979 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 49 WYTWARZANIE ZŁĄCZ P-N ZŁĄCZE WYCIĄGANE N D =10 14 cm -3 N A -N D =5x10 14 cm -3 N D -N A =10 15 cm -3 N A -N D =5x10 15 cm -3 N D -N A =10 16 cm -3 PRZEKOMPENSOWANIE zmiana wypadkowej koncentracji domieszki Metoda wyciągania została zastąpiona metodami polegającymi na wprowadzaniu domieszek po otrzymaniu monokryształu lub metodami epitaksji warstwy o przeciwnym do podłoża typie przewodnictwa. EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 50 25
WYTWARZANIE ZŁĄCZ P-N ZŁĄCZE STOPOWE In Faza ciekła In+Ge p-ge n-ge n-ge n-ge EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 51 WYTWARZANIE ZŁĄCZ P-N ZŁĄCZE DYFUZYJNE ZŁĄCZE IMPLANTOWANE N A >N D N D >N A Bor N A>N D N D >N A p n p n Dyfuzja ze źródła o skończonej wydajności Dyfuzja ze źródła o stałejwydajności ZŁĄCZE EPITAKSJALNE Metoda dyfuzji stosowana jest obecnie na szeroka skalę. Przeprowadzana jest w wysokiej temperaturze. Rysunki zaczerpnięto z S. Kuta Elementy i układy elektroniczne, AGH 2000 EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 52 26
WYTWARZANIE TRANZYSTORA N-P-N SiO 2 n-si p n-si n+ p n-si n+ p n-si EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne technologie półprzewodnikowe 53 27