Elementy Elektroniczne

Elementy Elektroniczne dr hab. inż Piotr Płotka pok. 301 tel. 347-1634 e-mail: pplotka@eti.pg.gda.pl Nagroda Nobla w fizyce 2009 Za przełomowe osiągnięcia w dziedzinie przesyłania światła we włóknach optycznych na duże odległości. Za wynalezienie półprzewodnikowego obwodu obrazującego sensora CCD. Charles K. Kao Standard Telecom. Lab. Harlow, United Kingdom; Chinese Univ. of Hong Kong urodz. 1933 w Chinach Willard S. Boyle Bell Lab. Murray Hill, NJ, USA urodz. 1924 w Kanadzie George E. Smith Bell Lab. Murray Hill, NJ, USA urodz. 1930 2009_Nobel_fizyka_opt_fiber_CCD 1

Nagroda Nobla w fizyce 2009 Za wynalezienie półprzewodnikowego obwodu obrazującego sensora CCD. Willard S. Boyle Bell Lab. Murray Hill, NJ, USA urodz. 1924 w Kanadzie George E. Smith Bell Lab. Murray Hill, NJ, USA urodz. 1930 Charge-Coupled Devices (CCD) 2009_Nobel_fizyka_opt_fiber_CCD_2 - przyrządy o sprzężeniu ładunkowym Boyle Smith BSTJ 1970 W.S. Boyle, G.E. Smith, "Charge coupled semiconductor devices", Bell System Technical Journal, vol. 49, p. 587, Apr. 1970 - streszczenie Jak zrobić studnie potencjału w krzemie? Jak przesuwać minima potencjału w tych studniach? Dlaczego ładunek elektryczny ma podążać za tymi minimami? 2

Jak doszło do wynalazku? W.S. Boyle, G.E. Smith, IEEE Trans. Electron Devices v.23 p.661 1976: W 1969 r. w Lab. Bella parto do rozwoju pamięci magnetycznych, ale kierownictwo rozumiało, że mogą się też znaleźć obiecujące pamięci półprzewodnikowe; wywierano presję na wynajdowanie nowych przyrządów półprzewodnikowych; budżet na prace nad półprzewodnikami byłby zagrożony gdyby nie było sukcesów w dziedzinie pamięci półprzewodnikowych; istniała już kamera z tablicą fotodiod; nasuwało się pytanie: "dlaczego jej nie zintegrować i nie dołączyć rejestru przesuwającego - dla odczytu?" Boyle i Smith dyskutowali nad tym problemem i wynalazek powstał w ciągu jednogodzinnej popołudniowej dyskusji (1969 r.). Po ponownym przemyśleniu i dyskusji z kolegami zdecydowali się na doświadczalne sprawdzenie koncepcji. Po tygodniu pierwszy układ CCD działał. Generacja przesuwanie ładunku - detekcja Boyle Smith BSTJ v.49 p589, 1970 Wynaleziona struktura może być użyta jako rejestr przesuwający. Od strony wejścia należy dołączyć generator ładunku, np. złącze pn (diodę pn), strukturę MOS pracującą w zakresie powielania lawinowego lub użyć generacji par elektron-dziura przez światło. Do detekcji prądu można użyć: zaporowo spolaryzowanej diody pn lub zaporowo spolaryzowanego złącza metal-półprzewodnik, lub badać zmianę pojemności. 3

Pomysł i działający przyrząd Reprodukcja szkicu z notatnika laboratoryjnego przedstawiająca pierwszy trójfazowy przyrząd o sprzężeniu ładunkowym. W.S. Boyle, G.E. Smith, IEEE Trans. Electron Devices v.23 p.661 1976 Pomysł i działający przyrząd Utleniony krzem, to jest krzem pokryty cienką warstwą SiO 2 o grub. 120 nm. Sąsiadujące, ale nie zwarte ze sobą elektrody Cr/Au. 10 elektrod w linii. Rozmiar 100 µm 100 µm, odstęp 3 µm. Grubość naparowanego metalu przypuszczalnie ok. 0,5 µm. Drut wyprowadzenia, prawdopodobnie złoty, dołączony prawdopodobnie prez przycisk, ze wspomaganiem ultradźwiękami. Fotografia pierwszej doświadczalnej tablicy struktur metal-tlenek-krzem (płyt polowych) użytej do potwierdzenia zasady przesuwania ładunku. Pomysł i działający przyrząd_2 W.S. Boyle, G.E. Smith, IEEE Trans. Electron Devices v.23 p.661 1976 4

Pomysł i działający przyrząd Pierwszy 8-bitowy w pełni scalony przyrząd z diodowymi wejściem i wyjściem W.S. Boyle, G.E. Smith, IEEE Trans. Electron Devices v.23 p.661 1976 Obraz uzyskany z 8-bitowej liniowej tablicy elementów CCD. Skanowanie z lewa na prawo wykonano mechanicznie. Pomysł i działający przyrząd_3 Spróbujmy zrozumieć jak działa układ o sprzężeniu ładunkowym (CCD) 5

Półprzewodniki w układzie okresowym Najczęściej używanymi półprzewodnikami są Si oraz Ge z grupy IV oraz związki IIIV jak GaAs, AlN, InP, GaP Tabela układu okresowego www.chemik.pl Struktura krystaliczna regularne: prosta przestrzennie centrowana ściennie centrowana Atomy w sieci krystalicznej ułożone są okresowo, komórki podstawowe powtarzają się. diamentu Si, C, Ge blendy cynkowej GaAs,GaP soli kuchennej PbS, PbTe... Wybrane ważne struktury komórek sieci krystalicznej S.M.Sze, Kwok K.Ng, Physics of Semiconductor Devices, 3 ed, Wiley, 2006 wurcytu CdS, ZnS... 6

Z okresowym ułożeniem atomów w krysztale wiąże się struktura pasmowa kryształu Pasmo przewodnictwa półprzewodnika jest tylko częściowo zapełnione elektronami. Może ich tam być znikomo mało. Tak jest w półprzewodniku typu p w równowadze. Energia elektronu E Pasmo walencyjne dno pasma przewodnictwa E C Poziom Fermiego E F E V szczyt pasma walencyjnego Przerwa energetyczna E g = E C -E V położenie w normalnej przestrzeni x Pasmo walencyjne jest prawie całkowicie wypełnione elektronami. Dziury braki elektronów. Dziur w tym paśmie może być znikomo mało. Tak jest w półprzewodniku typu n w równowadze. Strukt_pasmowa_1 Z okresowym ułożeniem atomów w krysztale wiąże się struktura pasmowa kryształu Elektrony, te które są, mogą się swobodnie (prawie) poruszać w paśmie przewodnictwa Energia elektronu E Pasmo walencyjne dno pasma przewodnictwa E C Poziom Fermiego E F E V szczyt pasma walencyjnego Przerwa energetyczna E g = E C -E V położenie w normalnej przestrzeni x Dziury braki elektronów, mogą się swobodnie (prawie) poruszać w paśmie walencyjnym Strukt_pasmowa_2 7

Różnica pomiędzy półprzewodnikiem, a dielektrykiem jest umowna - tylko ilościowa Przerwa energetyczna dielektryka (izolatora) jest bardzo duża, rzędu kilku elektronowoltów (ev). Dlatego w paśmie przewodnictwa praktycznie nie ma elektronów. 1 ev = 1 V e 1,6 10-19 J gdzie e ładunek elektronu Energia elektronu E Pasmo walencyjne dno pasma przewodnictwa E C Poziom Fermiego E F E V szczyt pasma walencyjnego Przerwa energetyczna E g = E C -E V położenie w normalnej przestrzeni x Dlatego w paśmie walencyjnym praktycznie nie ma dziur, które mogłyby przewodzić prąd elektryczny. Strukt_pasmowa_3 Półprzewodnik w polu elektrycznym E energia E natężenie pola elektrycznego Ψ potencjał elektryczny q ładunek elementarny, e 1,6 10-19 C = 1,6 10-19 A s E = q Ψ dψ 1 E = = dx q de dx E C E C E V E V kierunek pola elektrycznego E kierunek pola elektrycznego E 8

Struktura CCD na krzemie typu p -nieoświetlona Metalowa elektroda jest zwarta z podłożem typu p. W krzemie typu p, w warunkach równowagi, jest znikomo mało elektronów. Ten wykres jest idealizowany. Założono równe prace wyjścia i brak uwięzionych ładunków. Struktura CCD na krzemie typu p nieoświetlona _1 Struktura CCD na krzemie typu p -nieoświetlona W krzemie typu p, w warunkach równowagi, jest znikomo mało elektronów. Metalowa elektroda spolaryzowana jest dodatnim napięciem V 1 względem podłoża typu p. Przyłożenie napięcia V 1 powoduje powstanie pola elektrycznego E w krzemie pod powierzchnią SiO 2. W krótkim czasie, rzędu sekundy, po przyłożeniu V 1 koncentracja elektronów pozostaje znikomo mała. Struktura CCD na krzemie typu p nieoświetlona _2 9

Struktura CCD na krzemie typu p -oświetlona Wskutek oświetlenia struktury CCD dochodzi do zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego generowane są pary elektron-dziura. Pole elektryczne E rozdziela elektrony od dziur. Elektrony są unoszone w kierunku powierzchni, a dziury płyną do kontaktu. Bariera energetyczna przy powierzchni Si, związana z obecnością izolatora, powoduje, że elektrony gromadzą się tam w lokalnym minimum energetycznym. Na elektron działa siła F e Na dziurę działa siła F h przeciwnie skierowana, równa co do modułu. F h = -F e Przesuwanie ładunku w CCD -1 Przesuwanie ładunku w CCD Załóżmy, że CCD nie jest oświetlony; można pominąć generację i rekombinację elektronów i dziur. Spolaryzujmy tablicę CCD trzema okresowymi ciągami impulsów napięciowych Φ 1, Φ 2, Φ 3, przesuniętych w fazie jak na rys. Dodatni potencjał metal na SiO 2, ujemny podłoże typu p. Jednakowy sygnał Φ i podawany jest do co trzeciej elektrody. Załóżmy, że w chwili t 1, w studni potencjału pod pierwszą z lewej elektrodą są uwięzione elektrony, a pod innymi elektrodami nie. 10

Przesuwanie ładunku w CCD -2 Przesuwanie ładunku w CCD W chwili t 2, dodatnio spolaryzowane są dwie pierwsze elektrody. Studnia potencjału jest pod oboma. Elektrony rozpływają się na całą długość studni wskutek dyfuzji i elektrostatycznego odpychania się ładunków elektronów. Przesuwanie ładunku w CCD -3 Przesuwanie ładunku w CCD W chwili t 3 potencjał pierwszej z lewej elektrody jest nadal dodatni, ale mniejszy niż potencjał drugiej elektrody. Studnia potencjału pod pierwszą elektrodą robi się płytsza.. Elektrony, dążąc do minimum energetycznego skupiają się pod drugą elektrodą. 11

Przesuwanie ładunku w CCD -4 Przesuwanie ładunku w CCD W chwili t 4 potencjał pierwszej z lewej elektrody jest zerowy. Studnia potencjału jest pod spolaryzowaną dodatnio drugą elektrodą (i piątą i siódmą i...). Proces przesuwania ładunku o jedną pozycję jest zakończony. Elektrony są skupione pod drugą elektrodą (i ewentualnie pod piątą i siódmą i...). Struktura CCD może być zatem wykorzystywana jako rejetr przesuwający W spolaryzowanym tranzystorze MOS z kanałem typu n elektrony wpływają pod bramkę ze źródła typu n CCD Tranzystor MOS 12

J.E Lilienfeld - wynalazek tranzystora MOS 1933 r. J.E Lilienfeld - wynalazek tranzystora MESFET 1930 r. 13

Ian Ross (Bell) - wynalazek tranzystora MOS ze wzbogacanym kanałem 1955 r. C.T. Sah, Evolution of the MOS transistor-from conception to VLSI, Proc IEEE, Vol. 76, pp. 1280-1326, 1988 2009 2007 2000 Charles K. Kao - za osiągnięcia w dziedzinie przesyłania światła we włóknach optycznych na duże odległości A. Fert, P. Grünberg- za odkrycie zjawiska gigantycznego magnetooporu A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid, H. Shirakawa - za odkrycie i rozwijanie polimerów przewodzących Willard S. Boyle, George E. Smith - za wynalezienie półprzewodnikowego obwodu obrazującego sensora CCD Nagrody Nobla za odkrycia i wynalazki związane z przyrządami 2000 Z. I. Alferov - za opracowanie heterostruktur półprzewodnikowych używanych w optoelektronice H. Kroemer - za opracowanie bardzo szybkiego tranzystora heterozłączowego Jack S. Kilby - za wkład w wynalezienie układu scalonego 1998 R. B. Laughlin, H. L. Störmer, D. C. Tsui - za odkrycie cieczy kwantowej ze wzbudzeniami o ładunkach ułamkowych - ułamkowe kwantowe zjawisko Halla 1987 J. G. Bednorz, K. A. Müller - za odkrycie wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa w materiałach ceramicznych 1985 K. von Klitzing - za odkrycie kwantowego zjawiska Halla 1973 Leo Esaki - za doświadczalne okrycia dotyczące tunelowania w półprzewodnikach I. Giaever - za doświadczalne okrycia dotyczące tunelowania w nadprzewodnikach B. D. Josephson - za teorię tunelowania w złączu nadprzewodników (w złączu Josephsona) 1972 J. Bardeen, L. N. Cooper, R. Schrieffer - za teorię zjawiska nadprzewodnictwa (teorię BCS) 1964 C. H. Townes, N. G. Basov, A. M. Prokhorov - za badania podstawowe w dziedzinie elektroniki kwantowej, które doprowadziły do urządzeń z rodziny laserów i maserów 1956 W. B. Shockley, J. Bardeen, W. H. Brattain - za badania nad półprzewodnikami i odkrycie zjawiska tranzystorowego 14

Układy Scalone Wynalezione przez Jacka Kilby 1958r. - Texas Instruments Elementy wykonane w pojedynczej płytce Ge, trawionej na wskroś dla izolacji elementów; drutowe połączenia między elementami Strona z notatnika J.S. Kilby ukazująca generator z przesuwnikiem fazy wykonany z płytki Ge metodą dyfuzji. Strona z notatnika J.S. Kilby ukazująca przerzutnik wykonany z płytki Ge metodą dyfuzji. J.S. Kilby, IEEE Trans. Electron Dev., v.23, s.648, 1976 Wczesne układy scalone Texas Instruments Pierwszy układ scalony na germanie wykonany przez J. Kilby w Texas Instruments - 1958 Pierwszy planarny krzemowy układ scalony wykonany techniką planarną. Przerzutnik z aluminiową metalizacją, Fairchild, 1961 pomysł Roberta Noyce, 1958 A Solid State of Progress, Fairchild Camera and Instrument Corporation, 1979, G.E.Moore, Proc. IEEE, v.86,s.53-62, 1998 15

Tunelowy Prąd Bramki W Tranzystorze MOS Grubość SiO 2 to tylko 5 atomów. Obraz SiO 2 bramki z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) o atomowej rozdzielczości. Tunelowy prąd bramki w tranzystorze MOS z cienkim SiO 2. W technologii 65 nm stosowano SiO 2 bramki o grubości 2 nm. Zmniejszenie grubości SiO 2 było z jednej strony konieczne aby zmniejszyć długość kanału do 32 nm ( w technologii 45 nm), a z drugiej strony niemożliwe z uwagi na niedopuszczalnie duży prąd upływu Gęstość prądu bramki w funkcji naięcia bramka źródło bramki. H.Momose i in, IEEE Trans. Electron Devices v50 s.1001 2003 Gate_Tunneling_1a Gate_Tunneling_1b Tunelowy Prąd Bramki W Tranzystorze MOS Problem dużego prądu bramki rozwiązano stosując HfO 2 jako izolator bramki. Znormalizowany prąd upływu bramki HfO 2 ma większą przenikalność dielektryczną niż SiO 2 więc może być grubszy przy tych samych V GS i I D większa grubość dielektryka bramki prowadzi do mniejszego prądu tunelowego. IEDM 2007, art. s10p02, Intel 16

Naturalne bariery miniaturyzacji tranzystorów źródło S bramka G dren D 100 nm MOSFET - struktura może być uznana za ciągłą 0,25 nm odległość między atomami w sieci krystalicznej Si źródło S bramka G dren D źródło S bramka G dren D donor donor 25 nm MOSFET -pomiędzy źródłem a drenem mieści się ok. 100 atomów w sieci krystalicznej Si Kolorami niebieskim i czerwonym wyróżniono atomy akceptorów i donorów, szarym - krzemu A. Asenov i in. IEEE Trans. Electron Dev. v.50, s.1837, 2003 atom Si akceptor 4 nm MOSFET -pomiędzy źródłem a drenem mieści się ok. 16 atomów w sieci krystalicznej Si Napr_Si_konstrukcja_nMOS Tranzystory MOS Z Naprężonym Krzemem Dla Zwiększenia Ruchliwości Dziur i Elektronów Tranzystor nmos z bramką o metalurgicznej długości 35 nm (INTEL w technologii 45 nm) źródło rozciąganie bramka Si dren Si 3 N 4 osadzony w odpowiednich warunkach na krzemie rozciąga krzem Naprężenia rozciągające krzem typu n powodują zwiększenie ruchliwości elektronów µ n w kanale tranzystora o 40%. Zwiększenie µ n powoduje zmniejszenie czasu przelotu elektronów przez kanał tranzystora. Wzrasta częstotliwość graniczna wzmocnienia mocy f max. Obraz z elektronowego mikroskopu transmisyjnego (TEM) Tyagi et al. IEDM 2005 s.1070 17

Wielowarstwowa Metalizacja Dielektryk między warstwami metalizacji, o możliwie małej stałej dielektrycznej, mniejszej od SiO 2. powierzchnia krzemu z tranzystorami - niewidocznymi metal (Cu) -ścieżka -przewodząca IEDM 2007, art. s10p02, Intel Warstwy miedzi po strawieniu dielektryka. Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) IBM Corp. Szybkość Przełączania Inwerterów CMOS Inwertery CMOS tranzystorami o długości kanałów 32 nm (wykonane w technologii 45 nm, Intel - 2009r.) mają czas opóźnienia t d = 5,1 ps. Opóźnienie stopnia [ps] większa - mniejsza grubość izolatora bramki =V DD =V DD Prąd w stanie odcięcia tranzystorów [na/µm] IEDM 2007, art. s10p02, Intel 18

Procesory CMOS Z Tranzystorami O Długości Kanałów 32 nm (W technologii 45 nm Intel 2009 r.) Procesor jednordzeniowy Procesor dwurdzeniowy Zaprojektujcie układy lepsze dla Waszych potrzeb, szybsze i zużywające mniej energii! 19