FMI010 Mikroteknologi: Verklighet och Visioner (F1) Instuderingsfrågor

Transkript

1 Instuderingsfrågor Introduktion: Moore s lag; Mikro-/nanoteknologi; Visioner (Göran Wendin, 19/3-03) 1. Beskriv innebörden av "top down" och "bottom up" metoder och diskutera hur de kan samverka för att bygga framtidens elektronik 2. Ange ungefärliga storlekar för en atom ett kolnanorör (tjocklek) ett cellmembran (cellvägg) en transistor (minsta storlek i dagens chip) en levande cell en mikrolaser ett hårstrå 3. Ange vilka vågekvationer som beskriver akustiska, mekaniska, elektromagnetiska och kvantmekaniska fenomen. 4. Beskriv formen på lösningen till vågekvationen för en svängande sträng. 5. Diskutera fysiken och funktionen hos Intels minsta fält-effekttransistor (FET) 6. Vad innebär kvantisering i en elektronisk vågledare? 7. Hur fungerar kolnanorör som transistorer och kretselement? 8. Beskriv några grundläggande egenskaper hos kvantdatorer. 9. Beskriv innebörden av Moore s lag. 10. Diskutera hur frekvensen för en stav förändras när den skalas ner till mikrometeroch nanometerdimensioner. 1

2 Instuderingsfrågor Mikroelektronik (Per Lundgren, 25/3-03) 1. Ge en kort etymologisk härledning av ordet transistor! 2. Vad kallas ett idealt rent halvledarmaterial? 3. Vad heter den parameter som beskriver hur mycket energi som minst krävs för att skapa ett elektron-hålpar i ett halvledarmaterial? 4. Vilka är beteckningarna för de två olika sorternas dopatomer? 5. Ange tre halvledarmaterial! 6. Vem fick Nobelpris för att ha uppfunnit den integrerade kretsen? 7. Vad betyder akronymen CMOS och vad innebär den? 8. Vilken sorts komponent utgör en PN-övergång? 2

3 Instuderingsfrågor Mikromekanik (Peter Enoksson, 26/3-03) 1. Give in short the most important process steps in chronological order in the fabrication of the cross-section below. 2. Why is it necessary to have a clean environment (few particles) and a floor that is not in contact with other parts of the building in the process laboratory (doesn t vibrate)? 3. What do the abbreviations MST, MEMS and MOEMS stand for? 4. Mention some of the most prominent benefits when using MEMS! 5. Mention two scaling effects that introduce difficulties or possibilities when things are miniaturized! 6. Mention three common MEMS-products. 3

4 Instuderingsfrågor Fotonik och halvledarlasrar (Anders Larsson, 1/4-03) 1. Varför gör sig kvantmekaniska effekter mer gällande i optoelektroniska komponenter än i mikrovågskomponenter? 2. Sammansatta halvledare är vanliga i optoelektronik. Nämn två orsaker till detta. 3. Varför kan halvledare med indirekt bandgap inte användas för ljusemitterande komponenter? 4. Beskriv skillnaden mellan ljus som emitteras från en lysdiod och en laserdiod. 5. I en lysdiod används GaAs som det ljusemitterande materialet. GaAs har ett bandgap på ev. Beräkna den ungefärliga våglängden för det emitterade ljuset och motsvarande frekvens. 6. Varför kan man modulera en laserdiod mycket snabbare än en lysdiod? 7. Nämn ett tillämpningsområde för optiska modulatorer av typen Mach-Zehnder (interferometrisk modulator). 8. Vad är den väsentliga skillnaden mellan en laserdiod av typen VCSEL och en konventionell s.k. kantemitterande laserdiod? Varför är en VCSEL mer tillverkningsvänlig? 4

5 Instuderingsfrågor Diffraktiv optik (Jörgen Bengtsson, 2/4-03) 1. Hur märker man på ett enkelt sätt att en ljusstråle utgörs av laserljus? 2. En vanlig lins har en sfärisk yta, men hur ser ytan ut hos ett diffraktivt optiskt element? 3. Vilket vågfenomen ligger bakom funktionen hos det diffraktiva optiska elementet (ledning: ger utvisning i ishockey)? 4. På vilket sätt skulle diffraktiv optik kunna göra så att digitalkameror inte behöver någon dyr fokuseringsmekanism? 5. Välj en av följande personer som haft betydelse för optikens utveckling och beskriv med något ord dennes insats för optiken: * Isaac Newton * Jean Augustin Fresnel * Max Planck * Albert Einstein * Jörgen Bengtsson 6. Vad är laserlitografi? 7. Vad lär oss Fresnel om att tänka självständigt? 5

6 Instuderingsfrågor Enelektron-elektronik (Per Delsing, 29/4-03) 1. Hur låg måste temperaturen vara för att man ska kunna se enelektron-effekter? 2. Rita en enelektron-transistor och förklara hur den fungerar! 3. Vad gör en Single electron turnstile? 4. Varför är en vanlig enelektron-transistor ganska långsam? 5. Hur fungerar en RF-SET? 6. Vad är en kvantbit? 7. Varför är en kvantdator så snabb? 8. Vad är dekoherenstid? 9. Vilken är den mest avancerade kvantdator-beräkningen som gjorts hittills? 6

7 Lösningar till instuderingsfrågorna Mikroelektronik (Per Lundgren, 25/3-03) 1. TRANSfer resistor, eller egentligen TRANSconductance varistor, påhittat på Bell Labs Intrinsiskt. 3. Bandgap. 4. Donatorer och Acceptorer. 5. Kisel, Galliumarsenid, Germanium, Kiselkarbid, Galliumnitrid, etc Jack Kilby. 7. Complementary Metal-Oxide-Semiconductor. Innebär användning av såväl N- kanal som P-kanal MOSFET i en integrerad krets. 8. En diod eller likriktare. 8

8 Lösningar till instuderingsfrågorna Mikromekanik (Peter Enoksson, 26/3-03) Mask Material 1. 1) Lithography and masking of the whole groove 2) Anisotropic etching 3) Lithography and masking of the deep groove 4) Anisotropic etching and removal of mask 2. Clean and vibration free environment is especially important in the lithography area. Particles in the air can settle on the wafers and the lithographic masks and cause defects that cause failure in the final devices. Vibrations reduces the resolution of sensitive equipment such as mask-aligner and SEM (Scanning Electron Microscope. 3. MST = Micro Structure Technology. MEMS = Micro-Electro-Mechanichal Systems. MOEMS = Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems. 4. * Low cost due to batch fabrication and miniaturization. * Integration of electronics and mechanics on the same chip reduce for instance capactivie-parasitics and electrical losses. 5. * The relationship between e.g. length-area-volume (length scales as L; area as L 2 and volume as L 3 ) in the microscopic world is not what we are used to in the macroscopic world, so things tend to behave in a different way. * Friction and wear is a big problem as well as sticking. * Small apparent inertia and quick thermal transport are two effects with possibilities. * Electrostatic forces are strong in the microscopic world and give problems (sticking) as well as possibilities (actuation). 6. * Read/write heads for magnetic storage (hard-disks). * Ink-jet print heads. Pressure and force sensors. Gyroscopes and accelereometers for automotive applications. Mirror arrays in projectors. Mircro-fluidic systems. SAW filters. 9

9 Lösningar till instuderingsfrågorna Fotonik och halvledarlasrar (Anders Larsson, 1/4-03) 1. Båda typer av komponenter arbetar med elektromagnetisk strålning. Denna är kvantiserad i form av fotoner och fotonenergin är direkt proportionell mot den elektromagnetiska strålningens frekvens. Optiska signaler har ca. 5 tiopotenser högre frekvens och därmed lika mycket större fotonenergi. Därför är kvantiseringen av den elektromagnetiska strålningen av större praktisk betydelse. 2. För ljusemitterande komponenter behövs direkt bandgap. Många sammansatta halvledare har direkt bandgap. De vanligaste elementära halvledarna (Si, Ge) har dock indirekt bandgap. Med sammansatta halvledare kan materialblandningen och därmed bandgapets storlek varieras. På så sätt kan man välja den våglängd vid vilken komponenten skall arbeta. 3. I indirekta halvledare har elektroner och hål olika impuls. Eftersom både energi och impuls måste bevaras då en elektron och ett hål rekombinerar, och fotoner har försumbar impuls, så är indirekta halvledare mycket ineffektiva för fotongenerering. 4. I en lysdiod genereras fotoner (ljus) genom spontan emission. Dessa fotoner har en viss spridning i frekvens (våglängd), olika utbredningsriktning och godtycklig fas. Detta kallas inkoherent ljus. 5. I en laserdiod genereras fotoner (ljus) genom stimulerad emission. Dessa fotoner har samma frekvens (våglängd), samma utbredningsriktning och samma fas. Detta kallas koherent ljus. Fotonenergin, E, bestäms av bandgapets storlek. Fotonens frekvens: E E = hn fin = = 344 h Motsvarande våglängd: THz c l = = 870 n nm 6. Snabbheten bestäms av de injicerade elektronerna och hålens livslängd. I en laserdiod är denna mycket kortare eftersom laddningarna rekombinerar genom stimulerad emission. Därför kan laserdioden moduleras snabbare. 7. Snabba fiberoptiska kommunikationssystem där man genom att använda en modulator istället för en direktmodulerad laserdiod kan producera spektralt renare ljuspulser. Man kan då överföra högre datatakter över längre sträckor. 8. En VCSEL emitterar ljus från chipets yta. En kantemitter emitterar från en klyvd kant på chipet. En kantemitter måste därför klyvas innan den fungerar och kan 10

10 testas. En VCSEL däremot kan testas direkt på wafer vilket sänker tillverkningskostnaden. 11

11 Lösningar till instuderingsfrågorna Diffraktiv optik (Jörgen Bengtsson, 2/4-03) 1. Genom olika interferenseffekter, t.ex. specklar. 2. Den kan faktiskt se ut hur som helst, men i allmänhet mycket detaljrik med många små strukturer. 3. Interferens, alternativt superposition (som dock ej ger utvisning). 4. Diffraktiva optiken i samarbete med elektronisk efterbearbetning av bilden ger en skarp bild. 5. * Isaac Neston: t.ex. spektraluppdelning av vitt ljus; partikelteori för ljus. * Jean Augustin Fresnel: t.ex. vågteori för ljus; teori för polarisation. * Max Planck: t.ex. kvantiseringen av ljusenergi ( fotonen ). * Albert Einstein: t.ex. fotoelektrisk effekt; förutsade lasern. * Jörgen Bengtsson: Felaktigt val! 6. En metod att rita mycket små strukturer med hjälp av laserljus. 7. Man måste tänka själv. Även de största auktoriteterna på ett område kan ha fel! 12

12 Lösningar till instuderingsfrågorna Enelektron-elektronik (Per Delsing, 29/4-03) 1. Temperaturen måste uppfylla T << e2 2Ck B, där C är kapacitansen för tunnelövergången. 2. Det kostar energi att addera laddning till mittön på en enelektron-transistor, och man måste lägga på en viss spänning över transistorn innan strömmen kan börja flyta. Detta ger upphov till en olinjär strömspännings-karakteristik. Genom att koppla laddning till mittön via en kapacitivt kopplad gate kan man styra den extra energi det kostar att lägga laddning på ön. Därmed kan man också styra strömmen genom transistorn. V g = Q g C g gate source C g drain I C C 3. Med en single electron turnstile kan man tvinga enstaka elektroner genom en krets genom att lägga en periodisk signal med frekvensen, f, på en gate - elektrod. Man får då en väldefinierad ström som ges av I = e f. 4. Enelektron-transistorn har en hög impedans och därför tar det lång tid för komponenten att ladda upp den kapacitans som finns på utgången av transistorn, t.ex. en lång ledning. 5. En radiofrekvens-signal skickas mot en resonanskrets, som enelektron-transistorn är inkopplad i. När laddningen på gaten av transistorn varierar, så varierar dämpningen hos resonanskretsen, och därmed även reflektionen av radiofrekvenssignalen. 6. En kvantbit är den grundläggande byggstenen för en kvantdator. En kvantbit är ett kvantmekaniskt tvånivåsystem. 7. I en kvantdator kan ett register av kvantbitar representera många (2 N ) tal samtidigt. När man gör en operation på registret utför man en beräkning på samtliga tal som registret representerar. 8. Den tid under vilken en kvantbit behåller sina kvantmekaniska egenskaper, dvs den tid innan kvantbiten blir klassisk. 9. En faktorisering av talet 15, dvs att men räknat ut att 15=3*5. 13