Ημιαγωγοί: Η Φυσική της Τεχνολογίας

Ημιαγωγοί: Η Φυσική της Τεχνολογίας Ε. Ηλιόπουλος Φ103: Θέματα Σύγχρονης Φυσικής Νοέμβριος 2016

Τι είναι το παρακάτω? 1) Πυροτέχνημα 2) Σχεδιάγραμμα συνάψεων του εγκεφάλου 3) Νυχτερινή αεροφωτογραφία μιας πόλης 4) Χάρτης τμήματος του διαδικτύου

Περίληψη Ημιαγωγοί: Χαρακτηριστικό παράδειγμα σχέσης Φυσικής και Τεχνολογίας Top-down και bottom-up δομή της παρουσίασης: Σύγχρονη Τεχνολογία Από το PC στο transistor Τι είναι ημιαγωγός? Τι σημασία έχουν οι φυσικές ιδιότητες των ημιαγωγών? Από την άμμο φτιάχνουμε μια CPU Πίσω στην Φυσική: Παραδείγματα μέσω από 2 περιπτώσεις βραβείων Nobel

Περί Τεχνολογίας Σύντομη ανασκόπηση της εξέλιξης της τεχνολογίας

Περί Τεχνολογίας Σύντομη ανασκόπηση της εξέλιξης της τεχνολογίας Μερικές παρατηρήσεις??? PC

Περί Τεχνολογίας Σύντομη ανασκόπηση της εξέλιξης της τεχνολογίας Μερικές παρατηρήσεις : Η χρήση νέων υλικών και μεθόδων Αγώγιμα Υλικά Μεταλλικά κράματα Άμμος Πλαστικά

Περί Τεχνολογίας Σύντομη ανασκόπηση της εξέλιξης της τεχνολογίας Μερικές παρατηρήσεις : Η χρήση νέων υλικών και μεθόδων Άμμος Silicon Valley : Η κοιλάδα του Πυριτίου

Τεχνολογία Καθημερινές (και μη) εικόνες σύγχρονης Τεχνολογίας

Τεχνολογία Καθημερινές (και μη) εικόνες σύγχρονης Τεχνολογίας και τι κρύβεται από πίσω The IC Transistor (Transfer Resistor)

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Ένα παράδειγμα που γνωρίζεται καλά: Νόμος του Ohm Έννοια της ωμικής αντίστασης: I ΔV OHM s Law: I V = = V R D ρ L

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Ένα παράδειγμα που γνωρίζεται καλά: Νόμος του Ohm Έννοια της ωμικής αντίστασης: και κάποια στοιχεία φυσικής που δεν γνωρίζεται ή πως απλές παρατηρήσεις αποκαλύπτουν I ΔV F q E a = v( t t ) = ( t t ) + v * 0 * 0 0 m m q E V v L I * m L Πρόβλημα OHM s Law: I V = = V R D ρ L

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Πιο «λειτουργικά» παραδείγματα: ΔΙΟΔΟΣ

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Ανάγκη για ακόμη πιο «λειτουργικά» στοιχεία: ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Ανάγκη για ακόμη πιο «λειτουργικά» στοιχεία: ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ Μας επιτρέπει να κάνουμε «λογικές» πράξεις (Boolean operations) Μεταβλητές: ΝΑΙ ή ΌΧΙ (Μετάφραση σε κύκλωμα περνά ή δεν περνά ρεύμα) Είσοδος Α Είσοδος Β

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Σοβαρά ο Διακόπτης είναι η βάση των υπολογιστών? Ας θυμηθούμε: Babbage s Analytical Machine (1833) Ο πρώτος Τuring-πλήρης ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ υπολογιστής Ζuse s Z3 (1941) Ηλεκτρομηχανικός, προγραμματιζόμενος 2000 relays F=5-10 Hz

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Σοβαρά ο Διακόπτης είναι η βάση των υπολογιστών? Ας θυμηθούμε: ENIAC (1943-45) Turing-πλήρης Add/subtract 5000/s 80 bytes μνήμη υ.τ. 30 tons, 200 kw Τρίοδος λυχνία

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Το transistor είναι ημιαγωγική* διάταξη που συμπεριφέρεται σαν τρίοδος λυχνία

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Το transistor μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν ηλεκτρονικός διακόπτης

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Το transistor μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν ενισχυτής (αναλογικός)

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Από το transistor στις λογικές πύλες:

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Από το transistor στην CPU: Intel 4004 (1971): 4-bit CPU, 740 khz, feature size 10 μm, Transistor count=2300

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Ιστορία: Το πρώτο transistor Bardeen, Brattain, Shockley- Bell Labs - 23 Δεκεμβρίου 1947

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Ιστορία: Το πρώτο transistor

Τι είναι το «transistor» Η ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ των ηλεκτρονικών διατάξεων στηρίζεται στην φυσική των φαινομένων μεταφοράς φορέων (ρεύματος) σε υλικά ή σε «κατάλληλους συνδυασμούς» υλικών. Ο νόμος του Moore

Μα ΤΙ EIΝΑΙ επιτέλους το transistor? Διάταξη που βασίζεται στις ιδιότητες των «Ημιαγωγών» Σημαντικές ιδιότητες για την λειτουργία του: Στους ημιαγωγούς υπάρχουν 2 τύποι φορέων: ηλεκτρόνια και οπές Στους ημιαγωγούς μπορούμε εύκολα να ελέγχουμε την πυκνότητα των φορέων Μπορούμε να κατασκευάζουμε διατάξεις που περιλαμβάνουν περιοχές/στρώματα με διαφορετικές πυκνότητες ηλεκτρονίων ή οπών (n-τύπου ή p-τύπου) Δύο βασικές κατηγορίες transistor: BJT Bipolar junction transistor MOSFET Metal-oxide-semiconductor field effect transistor BJT MOSFET

Τι είναι «ημιαγωγός» Πρώτες ενδείξεις: M. Faraday (1833): «Ανώμαλη» συμπεριφορά της ηλεκτρικής αντίστασης του Ag 2 S με την θερμοκρασία W. Smith (1873): Φωτο-αγωγιμότητα του Se C.F. Braun (1874): «Ανορθωτική» συμπεριφορά επαφών μετάλλου-pbs ή FeS 2 W.G. Adams & R.E. Day (1876): Photovoltage επαφής μετάλλου/se όμως τα φαινόμενα αυτά ήταν αρχικά ακατανόητα μέχρι: ανακάλυψη του ηλεκτρονίου ( J.J. Thompson, 1897) κβαντομηχανική (1913-1926) A.H. Wilson, 1931: Κβαντική θεωρία των ημιαγωγών

Τι είναι «ημιαγωγός» Κατ αρχήν στερεό σώμα = Περιοδική στο χώρο διάταξη ατόμων Μια τέτοια δομή μπορεί να περιγραφεί σαν μία επαναλαμβανόμενη «βασική» δομή = θεμελιώδης κυψελίδα. (Ανάστροφος Χώρος και 1 η κυψελίδα Brillouin)

Τι είναι «ημιαγωγός» Τι σημασία έχει η περιοδικότητα? Θεώρηση 1 η : Ελεύθερα ηλεκτρόνια vs ηλεκτρόνια σε περιοδικό δυναμικό E k = m 2 2 * 2 e Σχέση ενέργειας-κυματανύσματος

Τι είναι «ημιαγωγός» Τι σημασία έχει η περιοδικότητα? Θεώρηση 2 η : Από τον δεσμό 2 ατόμων στην κατάσταση του κρυστάλλου

Τι είναι «ημιαγωγός» Ας δούμε τώρα μια περίπτωση ημιαγωγού: Si, δομή [Ne]3s 2 3p 2 4 e /άτομο 2 e / άτομο 2 e / άτομο Ε F Ημιαγωγός 4 e /άτομο Ζώνη Αγωγιμότητας (Άδεια) Ενεργειακό Χάσμα Ζώνη Σθένους (Γεμάτη) p-orbitals s-orbitals Μέταλλο Ε F Ε Προσοχή: Για να κινηθεί ένας φορέας (π.χ. e) πρέπει να αυξήσει την ενέργεια και ορμή του. Μπορεί?

Τι είναι «ημιαγωγός» Δομή ενεργειακών ζωνών ενός ημιαγωγού (GaAs): Διάγραμμα E-k Κάτω άκρο ζώνης αγωγιμότητας: Παραβολική σχέση E-k: Ελεύθερα e με ενεργό μάζα m * e - Περιοδική διάταξη Περιοδικό δυναμικό e - σαν ελεύθερο (ενεργός μάζα) E k = m 2 2 * 2 e

Τι είναι «ημιαγωγός» Δομή ενεργειακών ζωνών ενός ημιαγωγού (GaAs): Διάγραμμα E-k Κάτω άκρο ζώνης αγωγιμότητας: Παραβολική σχέση E-k: Ελεύθερα e με ενεργό μάζα m * Άνω άκρο ζώνης σθένους: Παραβολική σχέση E-k (ΑΡΝΗΤΙΚΗ μάζα): Οπές Ηλεκτρόνια και οπές: 2 τύποι φορέων (αλλά πόσοι είναι διαθέσιμοι?)

Τι είναι «ημιαγωγός» Μια απλοική προσέγγιση στην ιδέα ηλεκτρονίων (e) και οπών (h) Εμπλουτισμός (doping) Τ= 0 Κ Τ > 0 Κ, ενδογενής ( n=p ) n-τύπου ημιαγωγός p-τύπου ημιαγωγός

Στατιστική φορέων σε ημιαγωγούς Δομή ενεργειακών ζωνών ενός ημιαγωγού και στατιστική πιθανότητα κατάληψης ενεργειακών καταστάσεων (κατανομή Fermi-Firac) Κατανομή Fermi-Dirac Ε Fermi f ( E, E f ) = 1 E E exp kt f + 1

Στατιστική φορέων σε ημιαγωγούς Density of States valence band conduction band Occupation Probability -2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Energy 1,0 0,8 E Fermi T 1 0,6 0,4 0,2 0,0 Concentration ( p, n )

Στατιστική φορέων σε ημιαγωγούς Density of States valence band conduction band Occupation Probability -2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Energy 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 E Fermi T 2 =1.25*T 1 Concentration ( p, n )

Στατιστική φορέων σε ημιαγωγούς Density of States valence band conduction band Occupation Probability 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Energy New E Fermi position T 2 n-doped Concentration ( p, n )

Οικογένειες ημιαγωγών Θυμηθήτε: Si 4 e στον εξωτερικό φλοιό ( sp 3 υβριδισμός) Ημιαγωγοί άμεσου ή έμμεσου χάσματος IV : Si, Ge, SiGe, diamond(c) III-V: GaAs, AlAs, InAs, Al x Ga 1-x As, etc GaP, AlP, InP, GaN, AlN, InN, AlGaN, II-VI: ZnO, ZnSe, CdTe,

Επαφή p-n : Κάνοντας τους ημιαγωγούς λειτουργικούς

Επαφή p-n : Κάνοντας τους ημιαγωγούς λειτουργικούς Ορθή Πόλωση Ανάστροφη Πόλωση

Κάνοντας τους ημιαγωγούς λειτουργικούς Η λειτουργία του MOSFET Ευρεία περιοχή ενεργειών με μηδενική πυκνότητα καταστάσεων (ενεργειακό χάσμα) Μπορούμε εύκολα να μετατοπίσουμε την E Fermi μέσα σε αυτήν κατά βούληση και με διάφορους τρόπους Ugs=0 S G D n n Ugs>0 S G D n n υπόστρωμα p υπόστρωμα p

Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU* Μέρος 1 ο : Δημιουργία ενός δισκίου (wafer) πυριτίου *CPU= Central Processing Unit (Κεντρική μονάδα Επεξεργασίας-ΚΜΕ)

Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Μέρος 2 ο : Φωτολιθογραφία Μέρος 3 ο : Χάραξη

Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Μέρος 4 ο : Εναπόθεση διηλεκτρικού και νέα λιθογραφία Επαναλαμβανόμενες διαδικασιές φωτολιθογραφίας/εναπόθεσης Μέρος 5 ο : Εμφύτευση Ιόντων (Ion implantation) Μέταλλο πύλης Διηλεκτρικό Διηλεκτρικό Πύλης Εμπλουτισμένο στρώμα

Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Μέρος 6 ο : Λιθογραφία και χάραξη διηλεκτρικού για επαφές Μέρος 7 ο : Εναπόθεση μετάλλου (χαλκού) και σχηματισμός επαφών

Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Μέρος 8 ο : Δημιουργία αλληλοσυνδέσεων (interconnects) Διαχωρισμός ψηφίδων (dies)

Ξεκινώντας από «άμμο» φτιάχνουμε μια CPU Έλεγχος λειτουργίας και Συσκευασία

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Ανθολόγιο βραβείων Nobel Φυσικής σχετικά με ημιαγωγούς (>1970)

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physic s 1973 (Leo Esaki) Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού Ενεργειακό χάσμα Ε 1 Ενεργειακό χάσμα Ε 2 > Ε 1

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physic s 1973 (Leo Esaki) Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού Ετεροδομή E φραγμός δυναμικού x

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physic s 1973 (Leo Esaki) Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού Ας επιταχύνουμε ηλεκτρόνια προς τον φραγμό Τι περιμένουμε να συμβεί Κλασσικά τίποτα (ρεύμα =0) αφού ο φραγμός υψηλότερος από την ενέργεια ηλεκτρονίων ΔV E φραγμός δυναμικού Ε 0 ΔV x

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physic s 1973 (Leo Esaki) Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού Ας επιταχύνουμε ηλεκτρόνια προς τον φραγμό Τι περιμένουμε να συμβεί Κλασσικά τίποτα (ρεύμα =0) αφού ο φραγμός υψηλότερος από την ενέργεια ηλεκτρονίων Όμως η κβαντομηχανική θεώρηση είναι διαφορετική

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physic s 1973 (Leo Esaki) Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού ΔV Ας επιταχύνουμε ηλεκτρόνια προς τον φραγμό Τι περιμένουμε να συμβεί Κλασσικά τίποτα (ρεύμα =0) αφού ο φραγμός υψηλότερος από την ενέργεια ηλεκτρονίων Όμως η κβαντομηχανική θεώρηση είναι διαφορετική Ρεύμα Fowler-Nordheim E φραγμός δυναμικού Ε 0 ΔV x

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physic s 1973 (Leo Esaki) Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physic s 1973 (Leo Esaki) Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού Ας βάλουμε 2 φραγμούς σε μικρή απόσταση μεταξύ τους! Δομή διπλού φραγμού Κβάντωση επιτρεπτών σταθμών στο σχηματισμένο κβαντικό πηγάδι E x

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physic s 1973 (Leo Esaki) Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού ΔV Ας βάλουμε 2 φραγμούς σε μικρή απόσταση μεταξύ τους! Δομή διπλού φραγμού Κβάντωση επιτρεπτών σταθμών στο σχηματισμένο κβαντικό πηγάδι Και ας εφαρμόσουμε πάλι ηλεκτρικό πεδίο Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού E Διαφορετική συμπεριφορά ανάλογα με Ε0 «Συντονισμός» με κβαντικό επίπεδο πηγαδιού οδηγεί σε πιθανότητα διάδοσης 100 %! x

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physic s 1973 (Leo Esaki) Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας, Δίοδος φαινομένου σήραγγας συντονισμού 6 Πραγματικά data από UoC 5 (a) Current [ ma ] 4 3 2 1 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Bias [ V ] Φαινόμενο ΑΡΝΗΤΙΚΗΣ διαφορικής αντίστασης

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physics 2000 (Z.I. Alferov, Η. Kroemer) Διπλές ετεροδομές, κβαντικά πηγάδια και lasers Ενεργειακό χάσμα Ε 1 Ενεργειακό χάσμα Ε 2 < Ε 1

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physics 2000 (Z.I. Alferov, Η. Kroemer) Διπλές ετεροδομές, κβαντικά πηγάδια και lasers Κβαντικό πηγάδι Κβάντωση ενεργειακών καταστάσεων ηλεκτρονίων και οπών

Πίσω από την Tεχνολογία βρίσκεται πολύ Φυσική Nobel prize Physics 2000 (Z.I. Alferov, Η. Kroemer) Διπλές ετεροδομές, κβαντικά πηγάδια και lasers