ELEKTRONICZNE ELEMENTY

(1)

IM. STANISŁAWA STASZICAW KRAKOWIE Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Elektroniki

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

ELEMENTY

ELEKTRONICZNE

ZAGADNIENIA TERMICZMNE W ELEMENTACH ELEKTRONICZNYCH

EiT 2014 r. PD&IB 2

(2)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – zagadnienia termiczne 3

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: ?

 ?

 V

 P 10 ¹⁵ [W/m ³ ] !!!

MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA

W ₁ =10 ¹⁵ W/m ³ !!!

W ₁ >W ₂ ^W ²

Gęstość mocy we wnętrzu układu scalonego jest większa

niż w reaktorze jądrowym !!!

(3)

MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA

Wydzielana w układzie moc

Zmiana temperatury w sąsiedztwie elementu mocy

Zmiana parametrów elektrycznych mikrostruktury

pod wpływem zmian temperatury

SPRZĘŻENIE ELEKTROTERMICZNE

MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA

Q

_T

Q

_L

Q

_B

P(t) – moc wydzielana w układzie

Q

B

– ciepło rozpraszane przez dolną powierzchnię układu scalonego

Q

T

– ciepło rozpraszane przez górną powierzchnię układu scalonego

Q

_L

– ciepło rozpraszane przez wyprowadzenia układu scalonego

P(t)

DROGI ROZPRASZANIA CIEPŁA

(4)

SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

PRZEWODZENIE

SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

KONWEKCJA

RADIACJA

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.

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.

(5)

REZYSTANCJA TERMICZNA

     

t t z y x C T

t z y x w t z y x

T , , ,

, , , ,

,

, 

   

_



gdzie:  - współczynnik przewodności cieplnej [W/mK], C

_

- pojemność cieplna właściwa [J/m

³

K], w – rozkład gęstości generowanej mocy cieplnej [W/m

³

]

x

(₁ , l₁ , c₁ , m₁ , S₁ ) (2 , l2 , c2 , m2 , S2 ) (₃ , l₃ , c₃ , m₃ , S₃ )

 - przewodność cieplna, l – grubość warstwy, c – ciepło właściwe, m – masa , S – powierzchnia warstwy Tj

To

REZYSTANCJA TERMICZNA



_1 _2 _3



0 3 3

3 2 2

2 1 1

1

0 th th th

j

T P R R R

S l S

l S

P l T

T      

 





 

   

x

(₁ , l₁ , c₁ , m₁ , S₁ ) (2 , l2 , c2 , m2 , S2 ) (₃ , l₃ , c₃ , m₃ , S₃ )

Tj To

P(t)

T

_j

(t) R

_{th_1}

R

_{th_2}

R

_{th_3}

T

₀

(t)

(6)

POJEMNOŚĆ TERMICZNA

c th

th

C l S C

C  R  4 

₂

   4

₂







_

P(t)

T

_j

(t) R

_{th_1}

R

_{th_2}

R

_{th_3}

T

₀

(t)

C

_{th_1}

C

_{th_2}

C

_{th_3}

x

(₁ , l₁ , c₁ , m₁ , S₁ ) (2 , l2 , c2 , m2 , S2 ) (₃ , l₃ , c₃ , m₃ , S₃ )

Tj To

MODEL TERMICZNY

mikrostruktura

dolna część obudowy mikrostruktury

metaliczne wyprowadzenia z mikrostruktury

P(t) Q_L

Q_B

Q_T radiator

Przykładowy model elektrotermiczny obudowy układu scalonego Q

_T

Q

L

Q

B

(7)

CIEPŁO, CZY ZAWSZE PROBLEM?

p-Si p-Si

p-Si

Element wprowadzany w ruch zmianami temperatury

p-Si

CIEPŁO, CZY ZAWSZE PROBLEM?

'Courtesy of Sandia National Laboratories, SUMMiT(TM) Technologies, www.mems.sandia.gov'

MIKROMASZYNY MEMS

1 µm

(8)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – moduł Peltiera 15 30mm

30mm

3mm

(+) (-)

q _c

q _h q _h

Cu

MODUŁ PELTIERA

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – moduł Peltiera 16

MODUŁ PELTIERA

(9)

MODUŁ PELTIERA

www.lairdtech.com

Temperatura względna

P N P N P N

3 2 1

T

1 – radiator, 2 – moduł termoelektryczny, 3 - mikroukład

x

pel c

h

Q U I

Q   

MODUŁ PELTIERA

(10)

Cu

Cu Al₂O₃

Al₂O₃

P_j=R*I²_pel(t) T_h(t)

T_c(t) Q_h = *T_h(t)*I_pel(t)

Q_c = *T_c(t)*I_pel(t) x

Bi₂Te₃

MODUŁ PELTIERA

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.

 

²

^...

2

1

     

 s T s T U

U=s

₁

T-s

₂

(T-T)-s

₂

T=

=s

₁₂

T=(s

₁

-s

₂

) T

T+T

T+T Przewodnik 2 T

Przewodnik 2

T+T

(11)

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.

e

przewodnik_2

e

przewodnik_1

q _h q _c

Ciepło wydzielane przez złącze Temperatura wzrasta Ciepło pochłaniane przez złącze Temperatura obniża się

ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO

ZJAWISKO PELTIERA

pasmo przewodnictwa

pasmo przewodnictwa poziom

Fermiego poziom

Fermiego

poziom Fermiego

E

Półprzewodnik Metal_2

Metal_1 T T

pel

p T I

Q    

(12)

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

e e

T₁

q _c

T₁+T

q _h

_x

dx I dT Q

_t

  

_T

 

gdzie: 

_T

– współczynnik Thomsona [Vm/K], I – prąd elektryczny [A]

ZJAWISKA TOWARZYSZĄCE DZIAŁANIU MODUŁU TERMOELEKTRYCZNEGO

ZJAWISKO JOULE’A

R I Q _j  ² 

 ^

 ^l

j dx

S I T Q

0 2  ( )

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:

gdzie: (T) – rezystywność materiału [m], l – długość przewodnika

[m], S – powierzchnia przekroju poprzecznego przewodnika [m

²

]

(13)

MODUŁ PELTIERA

 _h _c 

Te Bi Te

Bi pel pel

c

c I R T T

I T

Q    







2 3

3 2

2

2 



 _h _c 

Te Bi Te

Bi pel pel

h

h I R T T

I T

Q    







2 3

3 2

2

2 



0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

 [W/oC]

81.4%

120 100 -20 0 20 40 60 80

T [^oC]

2.0 2.4 2.8 3.2

80%

R [Ω]

1.6

120 100 -20 0 20 40 60 80

T [oC]

46

120 100 80

-20 0 20 40 60

T [^oC]

48 50 52 54

[mV/oC]

13%

MODEL MODUŁU PELTIERA

Zależności termiczne parametrów modułów Peltiera

(14)

MODEL MODUŁU PELTIERA

Ekwiwalentny model modułu termoelektrycznego

MOC CIEPLNA MODUŁU PELTIERA

P. Górecki : „Ogniwa Peltiera”, Elektronika Praktyczna 1/96, Warszawa 1996

(15)

EiT 2014` r. PD&IB Elementy elektroniczne – generator tremoelektryczny 29

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 30

GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY

ŚWIATŁO

<10µW

CIEPŁO

<20µW 10

^o

C gradient

DRGANIA

piezoelectric ^~200µW electrostatic _50-100µW

Źródła energii pochodzącej ze środowiska

TŁO ELEKTRO-MAGNETYCZNE

<1µW

Szacunkowa moc elektryczna otrzymywana w obiektach zamkniętych

z 1cm

²

lub 1cm

³

materiału konwertera

(16)

GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY

ŹRÓDŁO CIEPŁA

Ciepło odpadowe z procesów przemysłowych,

geotermiczne, izotopy, paliwa kopalne

Radiator

Moduł Peltiera (TEM) R_L

I_PEL

P=I_PEL²R_L U_S

Źródło ciepła Radiator

Moduł Peltiera przetwarzający ^Układ napięcie

Układ magazynujący

energię Węzeł sieci bezprzewodowej

Ciepło ciała ludzkiego jako źródło energii do zasilania układów elektronicznych

Przepływ mocy cieplnej P

_human

generowanej przez ciało człowieka

(~30mW/cm

²

)

P _human

P _el = ok. 3% P _human

(18)

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!

GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY

Źródło: Joseph A. Paradiso, Thad Starner, „Energy scavenging for mobile and wireless electronics”, Published by the IEEE CS and IEEE ComSoc, 2005

(19)

GENERATOR TERMOELEKTRYCZNY

Technologie

półprzewodnikowe

EiT 2014 r. PD&IB 38

(20)

EiT 2014 r. PD&IB Elementy elektroniczne – technologie półprzewodnikowe 39

WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW

POZIOMA METODA BRIDGAMA

ZARODEK

KRYSZTAŁ

STOPIONA STREFA

POLIKRYSZTAŁ

GRZEJNIK

WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW

METODA CZOCHRALSKIEGO

(21)

METODA CZOCHRALSKIEGO

WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW

METODA CZOCHRALSKIEGO

WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW

PÓŁPRZEWODNIKÓW

(22)

WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW

METODA BEZTYGLOWA

WYTWARZANIE MONOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKÓW

WAFER – płytka podłożowa (np. krzemu) powstała z pociętego pręta krzemowego

(23)

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 GaAs+Ga

Stopiony roztwór o temperaturze dużo niższej niż temperatura topnienia samego GaAs

Warstwa epitaksjalna Podłoże

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.

1 – zwojnica indukcyjna, 2- płytki podłożowe, 3 – podstawka kwarcowa, 4 – podstawka grafitowa, 5 - rura kwarcowa

Metoda osadzania chemicznego

Rysunek zaczerpnięto z W. Marciniak „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone”, WNT 1979

(24)

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

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.

(25)

DOMIESZKOWANIE PÓŁPRZEWODNIKÓW

cm

^-3

Metoda wyciągania została zastąpiona metodami polegającymi na wprowadzaniu domieszek po

otrzymaniu monokryształu lub metodami epitaksji warstwy o przeciwnym do podłoża typie przewodnictwa.

(26)

WYTWARZANIE ZŁĄCZ P-N

ZŁĄCZE STOPOWE

n-Ge In

n-Ge Faza ciekła In+Ge

n-Ge p-Ge

WYTWARZANIE ZŁĄCZ P-N

ZŁĄCZE DYFUZYJNE

Metoda dyfuzji stosowana jest obecnie na szeroka skalę. Przeprowadzana jest w wysokiej temperaturze.

N

_D

>N

_A

N

_A

>N

_D

p n

Dyfuzja ze źródła o skończonej wydajności

Bor ^N

^A

^>N

^D

^N

^D

^>N

^A

p n

Dyfuzja ze źródła o stałejwydajności

ZŁĄCZE IMPLANTOWANE

ZŁĄCZE EPITAKSJALNE

Rysunki zaczerpnięto z S. Kuta „Elementy i układy elektroniczne”, AGH 2000

ELEKTRONICZNE ELEMENTY

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

ELEMENTY

ELEKTRONICZNE

ZAGADNIENIA TERMICZMNE W ELEMENTACH ELEKTRONICZNYCH

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: ?

 ?

 V

 P 10 15 [W/m 3 ] !!!

MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA

W 1 =10 15 W/m 3 !!!

W 1 >W 2 W 2

Gęstość mocy we wnętrzu układu scalonego jest większa

niż w reaktorze jądrowym !!!

MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA

Wydzielana w układzie moc

Zmiana temperatury w sąsiedztwie elementu mocy

Zmiana parametrów elektrycznych mikrostruktury

pod wpływem zmian temperatury

SPRZĘŻENIE ELEKTROTERMICZNE

MOC, CIEPŁO, TEMPERATURA

Q

Q

Q

P(t) – moc wydzielana w układzie

Q

– ciepło rozpraszane przez dolną powierzchnię układu scalonego

Q

– ciepło rozpraszane przez górną powierzchnię układu scalonego

Q

– ciepło rozpraszane przez wyprowadzenia układu scalonego

DROGI ROZPRASZANIA CIEPŁA

SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

PRZEWODZENIE

SPOSOBY PRZEKAZYWANIA CIEPŁA

KONWEKCJA

RADIACJA

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.

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.

REZYSTANCJA TERMICZNA

     

t t z y x C T

t z y x w t z y x

T , , ,

, , , ,

,

, 

   



gdzie:  - współczynnik przewodności cieplnej [W/mK], C

- pojemność cieplna właściwa [J/m

K], w – rozkład gęstości generowanej mocy cieplnej [W/m

]

REZYSTANCJA TERMICZNA





T P R R R

S l S

l S

P l T

T      

 





 

 

(np. MOS. I _D =1mA przy U _DS =1V)

 P 10 ¹⁵ [W/m ³ ] !!!

W ₁ =10 ¹⁵ W/m ³ !!!

W ₁ >W ₂ ^W ²

q _c

q _h q _h

^...

q _h q _c