spec 1-10 Flashcards
- Bonding elektrostatyczny (anodowy): szkła, mycie i aktywacja, rodzaje bondingu, procedury, transport ładunków, fizyko-chemia bondingu, zastosowanie w technice mikrosystemów.
Bonding anodowy to proces niskotemperaturowego łączenia metali lub półprzewodników z dielektrykami nieorganicznymi za pomocą pola elektrycznego.
Stosuję się specjalne szkła z:
-bardzo dobrymi parametrami mechanicznymi,
-duża odpornością na pękanie podczas schładzania,
-rozszerzalność termiczną dopasowaną do krzemu,
-odpowiednie przewodnictwo elektryczne
-wysoką odporność na przebicie elektryczne w podwyższonej temperaturze
przykład takiego szkła (szkło boro-krzemowe typu Pyrex)
Mycie i aktywacja: (w odniesieniu do szkła)
Polega na usunięciu organicznych zanieczyszczeń w detergentach i rozpuszczalnikach
(np. Aceton),
nieorganicznych zanieczyszczeń w kwasach, płukanie w chromiance i na hydrofilizacji.
Rodzaje bondingu:
-wielowarstwowy,
-selektywny,
-boczny,
-anodowy wysokotemperaturowy.
Procedury:
Najpierw podłoże krzemowe a na nie szklane. Przylegają do siebie dość dobrze dzięki
siłom van der Waalsa (siła międzycząsteczkowa charakter ELEKTROSTATYCZNY).
Układ krzem-szkło rozgrzewany jest do kilkuset stopni (300-500) C,
NASTĘPNIE Krzem jest polaryzowany dodatnio, zaś szkło polaryzowane ujemnie wysokim napięciem (500 – 2000V).
Pod wpływem pola elektrycznego przy granicy krzemu i szkła powstaje warstwa niezubożona,
Co powoduje powstanie bardzo silnego przyciągania, dociskając łączone materiały do siebie.
Transport ładunku:
Ładunek Q jest transportowany od warstwy zubożonej, tworzącej się w czasu bondingu do katody, któremu odpowiada prąd I, płynący w zewnętrznym obwodzie zasilającym.
Fizyko-chemia bondingu:
Elektroliza Na2O (tlenek sodu) w polu elektrycznym w rozgrzanym szkle;
Równolegle następuje dysocjacja wody zaadsorbowanej na powierzchniach krzemu i szkła.
Zastosowanie w technice mikrosystemów:
Czujniki ciśnienia, przyśpieszenia, układy lab-on-a-chip, mikroreaktory.
- Domieszkowanie warstw: dyfuzja i implantacja jonów, wygrzewanie (RTA).
Domieszkowanie – wprowadzanie obcych jonów/atomów do sieci krystalicznej metalu, półprzewodnika lub materiału ceramicznego tworzących roztwory stałe.
Metoda dyfuzji:
Można wykonywać warstwy domieszkowania o szerokim zakresie grubości i koncentracji powierzchniowych domieszek oraz różnym rozkładzie koncentracji domieszek.
Wykorzystując zjawisko maskowania dyfuzji domieszek przez warstwę dielektryczną, można wykonywać obszary dyfuzyjne o wymaganym rozkładzie przestrzennym.
Metoda dyfuzji jest procesem wysokotemperaturowym prowadzonym w piecu dyfuzyjnym.
Metoda implantacja jonów:
Implantacja jest procesem niskotemperaturowym i wymaga kosztownej i skomplikowanej aparatury.
Ze względu na pojawiające się w tym procesie uszkodzenia struktury krystalicznej krzemu oraz w celu elektrycznej aktywacji domieszek stosowanie implantacji wiąże się zwykle z koniecznością późniejszego wygrzewania po implantacyjnego.
Zaletą tej metody jest duża precyzja i powtarzalność procesów domieszkowania.
Można wykonywać stosunkowo płytko położone warstwy domieszkowane o szerokim zakresie koncentracji powierzchniowych domieszki i praktycznie dowolnym rozkładzie koncentracji domieszki.
Metoda Wygrzewanie RTA (Rapid Thermal Annealin) :
Alternatywna forma wygrzewania końcowego odbywająca się po procesie dyfuzji lub implantacji.
Polega na krótkotrwałym (do kilkunastu sekund) wygrzewanie podłoża w wysokiej temperaturze (1000°C).
Ma na celu aktywowanie elektryczne jeszcze nieaktywnych jonów w strukturze krystalicznej.
- Dyspersja światłowodów – definicje, klasyfikacja, przykładowe wartości, wpływ na jakość transmisji światłowodowej.
Dyspersja to dowolne zjawisko, w którym prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zależy od jej częstotliwości.
Klasyfikacje:
W telekomunikacji, dyspersja opisuje procesy, w którym sygnał niesiony przez fale elektromagnetyczną rozchodzącą się w ośrodku ulega degradacji.
Degradacja występuje, ponieważ różne składowe fali rozchodzą się z różnymi prędkościami.
W komunikacji światłowodowej, odnosi się do parametrów włókna:
-Dyspersja międzymodowa,
-Dyspersja chromatyczna (materiałowa + własna),
Dyspersja międzymodowa – występuje w światłowodach wielomodowych.
Przykładowe wartości [200-800 MHz/km]. Sygnał o większej częstotliwości nie będzie do rozróżnienia na detektorze. Przeważnie ~500 MHz/km. Korzystamy na krótszych odcinkach, lokalnie.
Dyspersja chromatyczna – występuje jedynie w światłowodach jednomodowych.
Przykładowe wartości [0-20 ps/km-nm (ps - pikosekunda, km – kilometr, nm – szerokość widmowa źródła)]
Składają się na nią dwa zjawiska:
Dyspersja materiałowa (powodowana zmianą współczynnika załamania szkła w funkcji długości fali)
Dyspersja falowa – zależność efektywnego współczynnika załamania od częstotliwości.
Często powodowana jest wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu.
- Ekrany ciekłokrystaliczne: – zasada działania komórki LCD (co to jest warstwa orientująca?), zależność parametrów od temperatury i kąta widzenia, czas reakcji i sterowanie wyświetlaniem, co oznaczają akronimy: TN, STN, IPS, VA i MDVA, ekrany kolorowe.
Ekrany ciekłokrystaliczne – zasada działania oparta jest na zmianie polaryzacji światła na skutek zmian orientacji cząsteczek ciekłego kryształu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.
Warstwa orientująca – zapewnia żądany rozkład molekuł ciekłego kryształu.
W wysokich temperaturach kontrast drastycznie spada (ekrany pracują do ~70°C)
Kąt widzenia – zmiana kąta powoduje saturację barw, kontrastu i jasności w zależności od położenia użytkownika, czasami nawet pod kątami pod którymi powinno się użytkować wyświetlacz.
Rozwinięcie Akronimów:
TN – Twisted Nematic – Ograniczony kąt widzenia, działa na zasadzie skręcania ciekłych kryształów pod kątem 90 stopni.
STN – Super Twisted Nematic – Kąt widzenia zależy od skręcenia ciekłych kryształów od 180 do 270 stopni.
IPS – In-Plane Switching – wymaga dwóch tranzystorów/pixel ciekłe kryształy zmieniane w 1 płaszczyźnie.
VA – Vertical Alignment – ciekłe kryształy są prostopadłe do płaszczyzny ekranu.
MDVA – Multi Domain Vertical Alignment – Ciekłe kryształy mogą być skręcane pod więcej niż jednym kątem w obrębie 1 komórki
- Ekrany plazmowe – charakterystyka U/I wyładowania w gazie, zasady działania ekranów DC PDP oraz ACM PDP i ACC PDP (przebiegi napięciowo-prądowe), podstawowe parametry.
Zasada działania ekranów DC PDP oraz ACM PDP i ACC PDP.
DC-PDP (Direct Current PDP) – ekrany plazmowe stałoprądowe są napięciem niezmieniającym się w czasie. W chwili wystąpienia wyładowania uzyskuje się tylko jeden krótki impuls świetlny.
Generacja kolejnego impulsu wymaga przerwania procesu, czyli zmniejszenie napięcia poniżej określonej wartości (napięcie gaszenia).
ACM-PDP (matrix) – Konfiguracja ekranu złożona z odizolowanych od siebie ortogonalnych elektrod na tylnej i przedniej płycie ekranu plazmowego. DUZO SZYBSZE wypalenie luminoforu.
ACC-PDP (Coplanar) – Konfiguracja ekranu złożona z koplanarnego (w jednej płaszczyźnie) ułożenia elektrod. Dzięki temu plazma powstaje poprzecznie do powierzchni elektrod i luminoforu.
Podstawowe Parametry:
-Wysoki Kontrast,
-Żywe kolor,
-Szeroki kąt widzenia.
- Formowanie podstawowych konstrukcji mikromechanicznych metodą głębokiego mokrego trawienia anizotropowego i izotropowego krzemu.
Anizotropowość: trawienie z różną szybkością w różnych kierunkach.
Izotropowość: trawienie równomiernie we wszystkich kierunkach.
Metoda głębokiego mokrego trawienia anizotropowego opisują następujące parametry:
-Szybkość trawienia płaszczyzn (100), (110), (111),
-Selektywność roztworu trawiącego względem masek tlenowych i azotowych,
-Szybkość trawienia naroży wzorów wypukłych,
-Jakość powierzchni trawionych,
-Temperatura procesu.
Podczas trawienia:
Trawienie jest prowadzone w wodno-alkoholowych roztworach:
-Kwasach (Kwas azotowy, siarkowy, solny)
-Zasad (KOH i NaOH, H2O2) (KOH – Wodorotlenek Potasu)
W procesie zachodzi utlenianie/redukcja powierzchni a następnie usunięcie
rozpuszczalnych produktów reakcji:
- Proces zachodzi izotropowo albo anizotropowo,
-Trudne w sterowaniu,
-Ograniczone wymiary trawionych struktur,
-wymiary <1nm
Kontroluje się Głębokość trawienia oraz Jego Obszar (kształt i rozmiary)
- Kamera video – filtr optyczny addytywny i subtraktywny, zasada działania kamery z DFO typu „zielona szachownica” oraz kamery dwuprzetwornikowej.
Filtry przepuszczają określoną długość fali i odbijają wszystkie inne długości fali.
Filtr optyczny – umożliwia kształtowanie widma światła:
Działanie filtrów polega na selektywnej transmisji lub selektywnym odbijaniu promieniowania.
Filtr optyczny addytywny – Polega na mieszaniu barwy światła, poszerzając jego skład widmowy i zwiększając liczbę fotonów w wiązce, otrzymując nową jaśniejszą barwę niż barwy składowe.
Filtr optyczny subtraktywny – Mieszanie barw polega na odejmowaniu promieniowania różnych zakresów obszaru widzialnego, zazwyczaj pochłanianie przez powierzchnie, od której odbija się światło białe.
Zasada działania kamery DFO (Dyskretny Filtr Optyczny) typu „zielona szachownica” ponieważ zawiera 50% zielonych, 25% czerwonych i 25%niebkieskich filtrów elementarnych.
Jej konstrukcja wynika z faktu, że oko jest bardziej czułe na zielone barwy, przez co obraz jest bardziej szczegółowy i mniej podatny na szum.
Obraz prosto z sensora z siatki Bayera (zielona szachownica) różni się znacznie od obrazu ostatecznego. Filtr przepuszcza tylko fragment spektrum co oznacza, że znaczna część energii światła nie dochodzi do sensora.
Każdy pixel zawiera zaledwie część informacji o kolorze w danym punkcie.
Resztę informacji uzyskuję się przez analizę sąsiednich pikseli za pomocą algorytmu demozaikującego.
Kamera Dwuprzetwornikowa – umożliwia uzyskanie obrazu barwnego i podczerwieni.
Zasada działania polega na występowaniu zjawiska ugięcia na pryzmacie padających promieni świetlnych. Następnie są przepuszczane przez filtry do odpowiednich sensorów.
W dobrym oświetleniu rejestrowany obraz wybierany jest sensor barwny.
W warunkach słabego oświetlenia następuje przełączenie sensora na monochromatyczny co umożliwia dostarczenie wyraźnego zobrazowania w odcieniach szarości.
- Klasyfikacja detektorów promieniowania (w tym półprzewodnikowych), mechanizmy detekcji, zastosowanie.
Klasyfikacja:
-Fotonowe: Fototranzystory, zjawiska fotowoltaiczne,
-Termiczne,
-Falowe: optyczna detekcja heterodyny
Mechanizm detekcji w detektorach półprzewodnikowych:
Jonizacja atomów w półprzewodnikach wytwarza pary elektron-dziura.
Dziury poruszają się w krysztale podobnie jak elektrony i można je sobie wyobrażać jako dodatnio naładowane cząstki elementarne powstające przy usunięciu elektronu.
Średnia energia do stworzenia pary elektron-dziura jest mniejsza niż dla zjonizowania atomu w gazie.
W półprzewodniku cząstka o danej energii produkuje więcej nośników prądu w gazie.
To jest główną przyczyną znakomicie lepszej energetycznej zdolności rozdzielczej detektorów półprzewodnikowych.
Zastosowanie:
-Licznik (detektory) Geigera-Mullera, które mogą wykrywać dowolny rodzaj promieniowania
-Liczniki scyntylacyjne
-Komory jonizacyjne, służące do pomiaru ekspozycji, a więc ładunku elektrycznego tworzonego przez promieniowanie w jednostce masy
- Klasyfikacja detektorów światła. Podać przykłady konstrukcji i porównać parametry.
Klasyfikacja detektorów światła:
Ze względu na:
-Fizyczne zasady działania (termiczne, kwantowe)
- Zastosowanie (telekomunikacja, astronomia)
- Konstrukcję (elementy pojedyncze, linijki detektorów CCD).
Przykłady konstrukcji:
- Fotorezystor,
- Fotodioda,
- Fototranzystor.
Fotorezystor – wykonany z półprzewodnika np. Krzemu.
Materiał światłoczuły nałożony pomiędzy dwoma elektrodami.
Światło padające na fotorezystor generuje nośniki ładunku elektrycznego dzięki czemu płynie większy prąd.
Większa rezystancja, jeśli światło nie pada na fotorezystor, mniejszy jak pada światło.
Wykorzystane do pomiaru temperatury, wykrywania zanieczyszczeń wód, detekcje strat ciepła przez izolacje.
Fotodioda – dioda półprzewodnikowa pracująca jako fotodetektor.
Znajduję się w niej płaska lub wypukła soczewka umożliwiająca oświetlenie obszaru złącza.
Stale spolaryzowana jest zaporowo, przy braku oświetlenia przez diodę płynie prąd ciemny, natomiast przy oświetleniu dodatkowo prąd fotoelektryczny, skutkiem tego jest wzrost przepływu prądu jasnego.
Oświetlenie diody powoduje generowanie nośników par elektron-dziura.
Obszar ładunku przestrzennego i związana z nim bariera potencjału umożliwia przepływ nośników większościowych, a nośniki mniejszościowe przepływają do obszaru ładunku przestrzennego.
Fotodiody mają zastosowanie w układach pomiarowych, np. odległości; w układach zdalnego sterowania, urządzeniach optycznych.
Fototranzystor – najczęściej nie posiada wyprowadzenia bazy i jego sterowanie polega na oświetleniu bazy.
Gdy fototranzystor nie jest oświetlany i jest odpowiednio spolaryzowany, to płynie przez niego prąd ciemny.
Pod wpływem oświetlenia nośniki mniejszościowe bazy przepływają do kolektora, intensywniej przepływają elektrony przez złącze baza-emiter i płyną do kolektora.
Fototranzystory stosowane są m.in. w układach pomiarowych, przetwornikach A/C, w układach łącz optoelektronicznych.
Parametry:
* Zakres widmowy,
* Czułość (liczniki fotonów, detektory mocy),
* Używane materiały (metal, półprzewodnik, dielektryk),
* Cena (fotoprzewodnik -> fotodioda -> fotopowielacz).
Fototranzystor charakteryzuje się większą czułością niż fotodioda, ze względu na to, że prąd generowany na skutek padającego promieniowania jest dodatkowo wzmacniany.
- Klasyfikacja laserów półprzewodnikowych, właściwości, podstawowe parametry.
Ze względu na strukturę i technologię wytwarzania:
Lasery diodowe homostrukturalne: Składają się z jednego rodzaju materiału półprzewodnikowego.
Lasery diodowe heterostrukturalne: Wykonane z różnych materiałów półprzewodnikowych, tworzących heterozłącza:
- Pojedyncze heterozłącza (SH).
- Podwójne heterozłącza (DH).
- Kwantowe studnie (QW): Warstwy półprzewodnikowe o grubości kilku nanometrów, w których efekty kwantowe wpływają na właściwości lasera.
Ze względu na sposób generacji promieniowania:
-Lasery impulsowe: Emitują światło w postaci krótkich impulsów.
-Lasery ciągłe (CW): Emitują światło w sposób ciągły.
Ze względu na długość fali emisji:
-Lasery emitujące w zakresie widzialnym: 400 nm do 700 nm.
-Lasery emitujące w zakresie podczerwieni (IR): 700 nm do kilku mikrometrów.
-Lasery emitujące w zakresie ultrafioletu (UV): Poniżej 400 nm.
Ze względu na zastosowanie:
-Lasery telekomunikacyjne: Zazwyczaj emitujące w zakresie 1300 nm lub 1550 nm.
-Lasery medyczne: Stosowane w zabiegach chirurgicznych i terapii.
-Lasery przemysłowe: Używane do cięcia, spawania i obróbki materiałów.
Właściwości Laserów Półprzewodnikowych
-Wysoka efektywność: Konwersja energii elektrycznej na optyczną z dużą sprawnością.
-Kompaktowość: Niewielkie rozmiary i łatwość integracji z innymi układami.
-Bezpośrednia modulacja: Możliwość szybkiej modulacji prądu zasilającego.
-Szeroki zakres długości fal: Emisja w szerokim zakresie długości fal.
-Stabilność i trwałość: Wysoka niezawodność i długa żywotność.
Podstawowe Parametry
- Długość fali emisji (λ): Określa kolor emitowanego światła(nm).
- Moc wyjściowa: Całkowita moc optyczna emitowana przez laser. (mW)
- Prąd progowy (Ith): Minimalny prąd elektryczny potrzebny do rozpoczęcia emisji.(mA)
- Efektywność kwantowa: Stosunek liczby emitowanych fotonów do liczby wstrzykiwanych elektronów. (%)
-Szerokość linii spektralnej (Δλ): Szerokość pasma emisji lasera.(nm or MHz)
-Charakterystyka prądowo-mocowa (P-I): Zależność mocy wyjściowej od prądu zasilającego.
-Temperatura pracy: Zakres temperatur, w którym laser może pracować stabilnie. (°C)
