spec 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)
- Klasyfikacja laserów, właściwości, podstawowe parametry, zastosowanie.
Ze względu na budowę ośrodka aktywnego
- lasery na ciele stałym
- gazowe – ośrodek czynny w formie gazowej
- półprzewodnikowe
- cieczowe (barwnikowe
- światłowodowe
- na swobodnych elektronach (FEL),
Ze względu na emitowaną długość fali:
- zakres światła widzialnego,
- ultrafiolet,
- podczerwień,
Ze względu na rodzaj pracy:
- praca impulsowa: rubinowy, neodymowy, półprzewodnikowy, barwnikowy, argonowy jonowy, azotowy, CO2
- praca ciągła: neodymowy, półprzewodnikowy, barwnikowy, He-Ne, argonowy jonowy, CO2,
Ze względu na strukturę energetyczną ośrodka:
- dwupaskowe, np. półprzewodnikowy,
- trójpasmowe, np. rubinowy,
- czteropasmowe, np. He-Ne.
Parametry laserów:
- prąd progowy
- odstęp międzymodowy;
- dobroć rezonatora
- moc wejściowa
- moc optyczna
- sprawność kwantowa
- długość emitowanej fali.
Zastosowanie laserów:
komunikacja, drukowanie, poligrafia, obróbka materiałów, układy pomiarowe, gromadzenie i przechowywanie danych (CD-ROM) medycyna, wskaźniki, czytniki kodów paskowych, poziomowanie
- Klasyfikacja światłowodów – omówić i podać przykłady.
Podział ze względu na strukturę:
-włókniste – kształt walca
-planarne – kształt prostopadłościanu.
Liczba modów światłowodu zależy od współczynników załamania, wymiarów struktury i długości fali prowadzonego światła:
* Jednomodowy; rdzeń/płaszcz - 10μm / 125 μm
* Wielomodowy; 50 lub 62,5 μm / 125 μm
* Skokowe
* Gradientowe; współczynnik załamania w obszarze płaszcza może się zmieniać, współczynnik załamania rdzenia musi być największy; największy współczynnik załamania w osi
Światłowody specjalne dla czujników optycznych:
* Światłowody podtrzymujące polaryzację (światłowód zachowuje polaryzację wprowadzonego światła).
* Światłowody polaryzujące (prowadzące światło o jednej polaryzacji, działające jak polaryzator liniowy).
* Światłowody ze specjalnym płaszczem lub pokryciem (światłowody z pokryciem odziaływującym aktywnie z otoczeniem).
* Światłowody domieszkowane (np. światłowody wykorzystywane we wzmacniaczach optycznych).
* Światłowody z odkrytym rdzeniem (pozbawione płaszcza, tak że fale zanikające poza rdzeniem są bardzo wrażliwe na warunki otoczenia)
- Klasyfikacja źródeł promieniowania, właściwości, podstawowe parametry.
Parametry źródeł światła:
-Temperatura barwowa – temperatura ciała doskonale czarnego wysyłającego światło o danej barwie, obiektywna miara wrażenia barwy danego źródła światła, [K].
- Strumień́ świetlny Φ – moc promieniowania świetlnego wysyłanego przez źródło światła, oceniana według wrażenia wzrokowego, [lumen]=[lm].
- Światłość (natężenie światła) I – gęstość przestrzenna promieniowania świetlnego w danym kierunku, stosunek strumienia świetlnego wypromieniowanego w danym kierunku do kata przestrzennego obejmującego ten kierunek, wielkość wektorowa, [kandela/świeca]=[cd]=[lm/sr]
- Luminancja L – stosunek światłości źródła światła w kierunku patrzenia do powierzchni rzutu ciała świecącego na płaszczyznę̨ prostopadłą do tego kierunku, charakteryzuje subiektywne odczuwanie wrażeń́ świetlnych przez oko ludzkie, [nit]=[cd/m2].
- Natężenie oświetlenia E – stosunek strumienia świetlnego padającego prostopadle na oświetlaną̨ powierzchnię do pola tej powierzchni, [lux]=[lx]=[lm/m2].
- Wydajność́ świetlna (sprawność́) – stosunek strumienia świetlnego źródła światła sztucznego do mocy elektrycznej, wyraża jaki strumień́ świetlny otrzymamy z jednego wata mocy, [lm/W],
- Barwa światła,
- Napięcie i moc znamionowa,
- Wskaźnik oddania barw CRI, (Color Rendering Index) – wskaźnik podsumowujący zdolność́ źródła światła do takiego oświetlenia przedmiotów i osób aby w sposób najbardziej neutralny oddawały swoje barwy. Im wyższy tym lepiej odwzorowane kolory,
- Trwałość́ użyteczna.
- LIGA: procesy i procedury, wykorzystanie w mikroinżynierii, w technice mikrosystemów i w mikrooptyce.
LIGA (litografia, galwanizacja i formowanie) służy do wytwarzania mikrostruktur metodą rentgenolitografii. Zapewnia mikrostruktury o wysokim współczynniku kształtu. Poprzez galwanizację struktury można odtworzyć w metalach takich jak złoto, nikiel, magnetyczne stopy niklowo-żelazowe lub miedź.
wytwarza się w niej miniaturowe metalowe kołka zębate, walce, mikroigły itd
Etapy procesu:
- Nałożeniu materiału formy (PMMA) na metalowe podłoże,
- Nałożenie maski litograficznej
- Naświetlanie formy promieniowaniem rentgenowskim,
- Wykorzystanie formy PMMA do galwanicznego nałożenia materiału np. Niklu na podłoże
- Usunięcie formy oraz otrzymanie trójwymiarowego kształtu metalowego mikroelementu.
- Mechanizmy destrukcyjne w warstwach cienkich.
Słabe punkty – miejsca, w których może nastąpić przerwanie połączenia elektrycznego pod wpływem koncentracji mocy (również temperatury).
Efekt Kirkendalla – zjawisko występujące między cienkimi warstwami metalicznymi, w sytuacji gdy jeden z materiałów charakteryzuje się wyższą szybkością dyfuzji, niż drugi. W materiale o wyższej szybkości dyfuzji powstają luki/puste przestrzenie (ang. voids).
Naprężenia – np. wynikające z niedopasowania sieciowego dwóch lub więcej warstw. Naprężenia mechaniczne mogą wynikać nie tylko z budowy materiału, ale także i ze sposobu użytkowania go (wyginanie płytki).
Przebicie dielektryka – następuje ono, gdy pole elektryczne w dielektryku przekroczy wartość zwaną odpornością na przebicie. Droga przebicia (kanał przewodzący prąd elektryczny) ma bardzo małą rezystancję, co oznacza utratę przez dielektryk właściwości elektroizolacyjnych.
- Metody nanoszenia warstw cienkich. Ocena możliwość kontroli parametrów technologicznych w poszczególnych metodach.
Osadzanie fizyczne z fazy gazowej PVD (Physical Vapor Deposition) - materiał osadzany jest ze źródła (ciała stałego) na podłoże za pomocą energii dostarczonej przez: przepływ prądu, grzanie oporowe, odparowanie laserem, bombardowanie wiązką elektronów lub jonów. Materiał może zmieniać swoją postać, może to być proces reaktywny lub niereaktywny.
Osadzanie chemiczne z fazy gazowej CVD (Chemical Vapor Deposition) - materiał osadzany powstaje na podłożu w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w reaktorze. Warunki przebiegu reakcji definiują technikę CVD.
Epitaksja - proces wzrostu warstw monokrystalicznych na podłożu monokrystalicznym. Epitaksję często opisuje się jako zorientowany krystalograficzny wzrost warstwy monokrystalicznej, zachodzący na powierzchni zorientowanego krystalograficznie monokryształu podłożowego.
Ocena możliwości do kontroli parametrów technologicznych i właściwości fizycznych wytwarzanych warstw:
ocena wizualna,
metody optyczne (pomiar przepuszczalności optycznej, elipsometria, interferencja),
pomiar grubości warstwy z wykorzystaniem rezonatora kwarcowego QCM, profilometru lub mikroskopu,
pomiar przewodności elektrycznej warstwy, metody rentgenograficzne.
- Mikromechaniczna obróbka wykorzystująca procesy jonowe; proces typu BOSCH, proces typu DRIE, konstrukcje, aplikacje mikrosystemowe z uwzględnieniem mikromaszyn i optyki zintegrowanej.
Proces BOSCH– jest plazmowym procesem głębokiego trawienia krzemu.
Wykorzystuje on dwa mechanizmy:
-Chemiczny – polegający na izotropowej reakcji jonów z materiałem podłoża,
-Mechaniczny – polegający na rozpylaniu podłoża jonami przyśpieszonymi w polu elektrycznym plazmy.
Charakteryzuje się on też wysoką selektywnością, brakiem utraty wymiaru krytycznego, nie występuje też w nim podcinanie maski.
Proces Boscha jest złożeniem powtarzanych kilku-, kilkunasto-sekundowych kroków trawienia i pasywacji (osadzania), w wyniku czego wzór z fotorezystowej lub tlenkowej maski jest przenoszony na podłoże krzemowe.
DRIE (Deep Reactive Ion Etching) – to inna nazwa procesu i urządzeń, wykorzystujących opatentowany proces Boscha, proces głębokiego trawienia krzemu z wykorzystaniem naprzemiennych cykli trawienia i pasywacji.
Stosując je osiągamy wysoką anizotropię i dużą szybkość trawienia, dzięki czemu uzyskujemy głębokie wzory o prawie pionowych ścianach i dużej rozdzielczości.
Zastosowania:
- w obwodach pamięci DRAM rowki kondensatorów mogą mieć głębokość 10–20 µm,
- w technice MEMS DRIE jest używany do formowania przestrzennych struktur o wysokości od kilku mikrometrów do 0,5 mm,
- W elastycznej elektronice DRIE jest używany do uelastycznienia tradycyjnych monolitycznych urządzeń CMOS poprzez zmniejszenie grubości podłoży krzemowych do kilku do kilkudziesięciu mikrometrów.
- Wytwarzanie światłowodów paskowych i mikrosoczewek.
- Najczęściej stosowane rodzaje ekranów wizyjnych i ich właściwości. Jakie znaczenie praktyczne ma wydajność świetlna (pokazać na charakterystykach)?
Najczęściej stosowane rodzaje ekranów wizyjnych:
Ekrany CRT (Cathode Ray Tube):
- Właściwości: Wykorzystują strumień elektronów do pobudzania luminoforów na ekranie. Oferują dobre odwzorowanie kolorów i kąty widzenia, ale są duże, ciężkie i zużywają dużo energii.
- Wydajność świetlna: Wysoka, ale zależna od luminoforu i napięcia sterującego.
Ekrany LCD (Liquid Crystal Display):
- Właściwości: Składają się z ciekłych kryształów sterowanych napięciem, które modulują światło z podświetlenia. Są cienkie, lekkie i energooszczędne, ale mają ograniczone kąty widzenia i kontrast.
- Wydajność świetlna: Średnia, zależna od rodzaju podświetlenia (CCFL lub LED).
Ekrany OLED (Organic Light Emitting Diode):
- Właściwości: Emitują światło samodzielnie bez potrzeby podświetlenia. Zapewniają doskonały kontrast, głęboką czerń i szerokie kąty widzenia.
- Wydajność świetlna: Bardzo wysoka, ponieważ każdy piksel emituje światło niezależnie.
Wydajność świetlna (ang. luminous efficacy) oznacza ilość światła emitowanego przez ekran w stosunku do zużywnej energii.
Wydajność świetlna jest ważna, ponieważ wyższa wydajność oznacza jaśniejsze ekrany przy mniejszym zużyciu energii, co jest kluczowe dla urządzeń przenośnych i ma znaczenie ekologiczne.
- Optoelektronika: definicja, dziedziny optoelektroniki, podstawowe właściwości optoelektroniki.
Optoelektronika jest działem elektroniki zajmującym się oddziaływaniem energii promieniowania i energii elektrycznej oraz wykorzystaniem tego oddziaływania w systemach informacyjno–elektronicznych.
Optoelektronika zajmuje się: badaniem i wykorzystywaniem zjawisk rozchodzenia się promieniowania optycznego, jego oddziaływaniem i obróbką, a także badaniem i wykorzystywaniem zjawisk emisji oraz detekcji promieniowania optycznego do budowy układów optoelektronicznych – czyli takich, które pracują z dwoma rodzajami sygnałów: optycznym i/lub elektrycznym, a także z akustycznym czy magnetycznym.
Dziedziny optoelektroniki:
światłowodowa a w tym dziedziny techniki światłowodowej, optotelekomunikacyjna
obrazowa (wyświetlacze, grafika komputerowa)
fotowoltaiczna
laserowa (lasery: półprzewodnikowe i dielektryczne dla OZ, TŚ i optotel., lasery do zastosowań medycznych i przemysłowych
oświetleniowa
Podstawowe właściwości optoelektroniki:
możliwość wytworzenia emiterów i detektorów;
wysoka pojemność informatyczna kanału;
mała tłumienność;
duża dobroć układu,
duża obciążalność
taniość i dostępność surowca (światłowody)
izolacja kanałów komunikacyjnych – fotony są nośnikami informacji;
- Parametry światłowodów – klasyfikacja i przykłady.
Parametry Optyczne:
- Tłumienie (Straty mocy optycznej na wyjściu światłowodu, w porównaniu z mocą optyczną wprowadzaną do światłowodu, wynikająca z niedoskonałości falowodu
- Dyspersja (Dowolne zjawisko, w którym prędkość rozchodzenia się fali EM zależy od jej częstotliwości.
W telekomunikacji dyspersja polega na degradacji sygnału niesionego przez falę EM rozchodzącą się w danym ośrodku - Długość fali odcięcia (Najmniejsza długość fali, przy której w światłowodzie rozchodzi się tylko jeden mod),
- Apertura numeryczna (Definiowana jako sinus kąta stożka akceptacji, czyli maksymalny kąt w stosunku do osi symetrii rdzenia, dla którego światło wprowadzone do światłowodu nie będzie z niego wyciekać
Parametry geometryczne:
-wymiary poprzeczne (Średnica rdzenia i płaszcza), z uwzględnieniem grubości pokrycia, będącego powłoką ochronną.)
- Geometria (planarne – złożone z trzech warstw, z których środkowa ma większy współczynnik załamania, niż warstwy zewnętrzne;
paskowe – powstaje, kiedy propagacja wiązki w warstwie zostaje ograniczona w dwóch kierunkach;
włókniste – o przekroju kołowym, rdzeń otoczony przez płaszcz z materiału dielektrycznego o mniejszym współczynniku załamania).
Parametry mechaniczne:
- wytrzymałość na zerwanie
- promień gięcia
- Podstawowe parametry energetyczne i fotometryczne promieniowania świetlnego (nazwy, definicje, jednostki).
Parametry Energetyczne:
Strumień promieniowania (Φe) - Całkowita moc promieniowania elektromagnetycznego emitowana przez źródło światła. [W]
Gęstość strumienia promieniowania (Ee) - Moc promieniowania przypadająca na jednostkową powierzchnię. (W/m²).
Energia promieniowania (Qe) - Całkowita energia przekazywana przez promieniowanie w określonym czasie. Dżul (J).
Natężenie promieniowania (Ie) - Moc promieniowania przypadająca na jednostkowy kąt bryłowy, emitowana w określonym kierunku. Wat na steradian (W/sr)
Spektralna gęstość strumienia promieniowania ( ,λ) - Moc promieniowania na jednostkę powierzchni przypadająca na jednostkowy przedział długości fali. (W/m²·nm)
Parametry Fotometryczne
Strumień świetlny (Φ) - Miara całkowitej mocy światła widzialnego emitowanego przez źródło światła, uwzględniająca czułość ludzkiego oka. (lm).
Natężenie oświetlenia (E) - Strumień świetlny padający na jednostkową powierzchnię. Luks (lx),
Natężenie światła (I) - Strumień świetlny emitowany w określonym kierunku na jednostkę kąta bryłowego. Kandela (cd)
Jaskrawość (L) - Natężenie światła emitowanego lub odbitego w określonym kierunku na jednostkę powierzchni emisyjnej. (cd/m²).
Jaskrawość powierzchniowa (Lv) - Ilość światła emitowanego lub odbitego przez jednostkową powierzchnię w określonym kierunku. (cd/m²).
Wydajność świetlna źródła (η) - Stosunek strumienia świetlnego do mocy promieniowania. (lm/W)
Temperatura barwowa (Tc) - Temperatura czarnego ciała promieniującego światło o barwie najbardziej zbliżonej do barwy danego źródła światła. (K)
Wskaźnik oddawania barw (CRI - Color Rendering Index) - Miara zdolności źródła światła do wiernego odwzorowywania barw oświetlanych obiektów w porównaniu do światła naturalnego. skala[od 0 do 100].
- Podstawowe zjawiska optyczne w półprzewodnikach.
Absorpcja - Proces, w którym fotony są pochłaniane przez półprzewodnik, a ich energia jest przekazywana do elektronów, które są wzbudzane z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.
Rekombinacja - Rekombinacja to proces, w którym wzbudzony elektron powraca do pasma walencyjnego, łącząc się z dziurą, co prowadzi do emisji energii.
Rodzaje rekombinacji:
-Rekombinacja promienista: Emitowana energia jest w postaci fotonu (światła).
-Rekombinacja niepromienista: Energia jest przekazywana w postaci ciepła (fotonów) do sieci krystalicznej.
Luminescencja - proces emisji światła przez materiał po absorpcji energii. W półprzewodnikach jest to najczęściej związane z rekombinacją elektronów i dziur.
Odbicie światła - proces, w którym fotony padające na powierzchnię materiału są od niej odbijane, a nie absorbowane lub przechodzące przez materiał.
Rodzaje Odbicia:
-Odbicie Zwierciadlane - Odbicie światła od gładkiej powierzchni, gdzie kąt padania jest równy kątowi odbicia.
- Odbicie Rozproszone - Odbicie światła od chropowatej powierzchni, gdzie światło jest rozpraszane we wszystkich kierunkach.
Zjawiska fotoelektryczne:
- Zewnętrzny efekt fotoelektryczny: Emitowanie elektronów z powierzchni materiału pod wpływem padającego światła.
- Wewnętrzny efekt fotoelektryczny: Generacja par elektron-dziura wewnątrz półprzewodnika pod wpływem padającego światła.
- Projektory wizyjne: luminancja obrazu a parametry projekcji, rozdział strumieni RGB w projektorze LCD, projektor barwny z jednym przetwornikiem DMD.
Projektor wizyjny:
Urządzenie do otrzymywania powiększonego obrazu świetlnego dostarczane na wejście laptopa lub kamery wideo. Składa się z układu optycznego z soczewek i zwierciadeł, przeznaczonego do rzutowania obrazu na ekran.
Luminancja - wielkość fotometryczna będąca miarą natężenia oświetlenia padającego w danym kierunku, opisuje ilość światła.
Parametry projekcji:
- Moc lampy projektora – im większa moc tym wyższa luminancja,
- Kontrast – im większa kontrastowość tym lepiej widać co jest wyświetlane.
- Rozdzielczość – Wyższa rozdzielczość może wpływać na postrzeganą luminancję.
- Barwa ¬– Możliwość wiernego odtworzenia kolorów.
Projektory LCD:
Do projekcji obrazów wykorzystują 3 matryce LCD, dające obrazy o barwach podstawowych RGB. Na każdej matrycy LCD uzyskiwany jest jednakowy obraz ale w innej kolorystyce.
Następnie obrazy uzyskane z matryc LCD nakładane są na siebie/łączone w pryzmacie, tworząc finalny obraz wyświetlany na ekranie.
Przetwornik DMD:
Matryca składająca się z mikroluster. Każde lustro odpowiada za jeden piksel wyświetlanego obrazu. Umożliwia generowanie obrazu poprzez kontrolowanie kierunku odbicia światła.
- Przedstawić klasyfikację i omówić istotne cechy wyładowań w gazie i ich potencjalne wykorzystanie w procesach technologicznych.
Wyładowania w gazie – suma różnorodnych zjawisk fizycznych towarzyszących przepływowi prądu elektrycznego przez gaz.
Klasyfikacja:
- Wyładowanie samodzielne – samoistne (piorun),
- Wyładowania niesamoistne - potrzebuje zewnętrznego źródła jonizacji aby zainicjować i podtrzymać wyładowanie. (np. wyładowanie Jarzeniowe)
(klasyfikacja cd)Czasowy przebieg wyładowania:
- Wyładowanie ustalone (np. stałoprądowe wyładowanie jarzeniowe),
- Wyładowanie nieustalone (np. iskrowe wyładowanie jarzeniowe),
Jaskrawość promieniowania świetlnego:
- ciemne (nikła poświata),
- wyładowanie jarzeniowe (poświata wyraźna, nieoślepiająca),
- łukowe (bardzo jaskrawe świecenie),
Istotne cechy wyładowań w gazie:
- Różne wyładowania mogą występować w różnych gazach pod różnymi ciśnieniami,
- W trakcie wyładowani powstaje wysoka koncentracja nośników ładunku elektrycznego,
- Możliwość formowania i kierunkowania cząstek nieobojętnych elektrycznie i magnetycznie,
- W trakcie wyładowania cząstki nabierają różnych energii w zależności od przyłożonego pola elektrycznego.
Wykorzystanie w procesach technologicznych:
- Spawanie światłowodów czyli metali w łuku elektrycznym,
- Oświetlenie – świetlówki,
- Osadzanie warstw z fazy gazowej (PVD oraz CVD):
PVD – Proces osadzania materiału/warstwy z fazy gazowej, przy którym zachodzą tylko zjawiska fizyczne. Pojęcie obejmuje metody wytrzymania cienkich warstw przez kondensację pary osadzanego gazu na materiału. Materiał osadzany jest ze źródła za pomocą energii dostarczanej przez:
przepływ prądu, bombardowanie wiązką jonów, promieniowanie.
Etapy PVD:
- Otrzymanie par materiału,
- Transport par materiału,
- Kondensacja materiału na podłożu (wzrost warstwy).
CVD – Proces osadzania warstw z fazy gazowej w wyniku reakcji chemicznych pomiędzy prekursorami gazowymi, wzrastającą warstwą i/lub materiałem podłoża.
Rolą jonów w procesach PVD i CVD jest wspomaganie procesów osadzania warstw.
Jony są nośnikami energii, masy raz są aktywne chemicznie.
- Sposoby łączenia włókien światłowodowych – klasyfikacja, porównanie, parametry łączy.
Łączenie światłowodów możemy dokonać poprzez:
- Złączki – Są różne rodzaje złączek, każda z nich charakteryzuje się innymi wartościami tłumienia, wielkościami oraz typami zastosowanych obudów.
- Spawy światłowodów – Spawanie jest nierozłącznym połączeniem dwóch światłowodów.
Takie łączenie cechuje się dużo mniejszą tłumiennością niż złączki.
Drogi sprzęt, kosztowny proces.
Tłumienność złączek wynosi około 1dB zaś spawu od 0,01 do 0,1dB
Parametry łączy:
- Apertura Numeryczna (NA) – jest to kąt, pod jakim światłowód akceptuje wprowadzony sygnał optyczny i emituje go na końcu linii.
- Średnica płaszcza i rdzenia – bardzo istotne znaczenie średnic jest podczas łączenia włókien (spawania) oraz spinania włókien (złączkami).
- Tłumienność jednostkowa – jest wyrażana poprzez jednostkę dB/km, charakteryzuje stratę mocy sygnału na jednostkę długości.
- Pasmo przenoszenia – jest wartością określającą bezpośrednio przepustowość kabla.
- Sposoby wykonywania precyzyjnych ścieżek w technologii grubowarstwowej (sitodruk precyzyjny, metoda FODEL, trawienie, metoda offset, zastosowanie lasera).
Sitodruk precyzyjny - Sitodruk polega na przeciskaniu pasty za pomocą rakli przez sita stalowe lub polimerowe.
Na sito jest uprzednio nanoszona emulsja, w której metodami fotolitograficznymi wykonuje się okna w kształcie zadanego wzoru.
Transfer pasty na podłoże następuje wyłącznie przez niezamaskowane obszary sita.
Trawienie - Trawienie jest metodą usuwania nadmiaru materiału przewodzącego z powierzchni podłoża w celu uzyskania pożądanych ścieżek.
Metoda FODEL – łączy metody sitodruku i trawienia
Sitodruk na całym obszarze podłoża, na którym będą wytwarzane wzory,
Suszenie warstwy,
Naświetlanie przez maskę – utrwalenie naświetlonych obszarów,
Wywołanie – wypłukanie obszarów, które były zasłonięte na masce fotolitograficznej,
Wypalenie.
Metoda Offset - W metodzie druku offsetowego wzór struktury jest wykonywany w postaci rowków w specjalnej formie, zwykle metalowej, polimerowej bądź szklanej.
Wzór wytrawia się chemicznie lub wycina laserem.
Następnie rowki wypełnia się pastą przy pomocy zgarniaka, po czym do formy jest dociskany polimerowy stempel.
Następuje wtedy transfer pasty ze wzoru na formie na powierzchnię stempla.
W kolejnym kroku wzór ten jest odciskany na podłożu docelowym.
Zastosowanie Lasera - Na podłoże jest nanoszona warstwa światłoczuła, która jest usuwana w danych obszarach za pomocą lasera.
Pozostający obszar warstwy tworzy żądaną strukturę.
Z uwagi na czas i koszt procesu usuwany obszar nie powinien być zbyt duży w stosunku do całej warstwy.
- Wymienić i krótko scharakteryzować podstawowe cechy transmisji światłowodowej.
- Wysoka przepustowość – Światłowody maja zdolność do przesyłania dużej ilości danych z bardzo dużymi prędkościami. Przepustowość łącza może sięgać terabitów na sekundę.
- Trudność w podsłuchu – Wynika to z faktu że światłowody nie emitują promieniowania elektromagnetycznego, które mogłoby być przechwycone. Odczyt informacji można uzyskać tylko poprzez dostęp fizyczny do światłowodu.
- Duża odporność na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne – Sygnał nie możne zostać zniekształcony przez zakłócenia elektromagnetyczne ze względu na wykorzystanie światła do przenoszenia informacji.
- Zasięg transmisji - Bardzo małe tłumienie i całkowite wewnętrzne odbicie na granicy rdzenia umożliwia transmisję bez regresji na znaczne odległości
- Zaawansowane techniki mikro- i nanolitograficzne (fotolitografia, elektronolitografia, rentgenolitografia, jonolitografia, nanopieczątkowanie, litografie interferencyjne, skaningowe litografie próbnikowe).
Fotolitografia - proces polegający na odtworzeniu wzoru fotomaski na podłożu np. półprzewodnikowym.
Proces ten składa się z następujących etapów:
-Nawirowanie warstwy emulsji światłoczułej na powierzchnię podłoża, w której ma być wytworzony żądany wzór.
-Naświetlanie warstwy emulsji poprzez maskę (UV).
-Wywołanie, polegające na usunięciu fragmentów warstwy kopiowej, prowadzące do odsłonięcia odpowiednich miejsc powierzchni podłoża,
- W przypadku emulsji negatywowej fragmentów zasłoniętych maską – nie naświetlonych
- W przypadku emulsji pozytywowej – naświetlonych.
-Trawienia ,,mokrego” w roztworze chemicznym lub ,,suchego” (przy użyciu zogniskowanej wiązki jonów) odsłoniętych fragmentów warstwy podłoża w celu wykonania okien umożliwiających przeprowadzenie dalszych operacji technologicznych np. dyfuzji lub implantacji domieszek
Elektronolitografia - proces litografii polegający na odtworzeniu wzoru na podłożu półprzewodnikowym przez naświetlanie rezystu przy pomocy wiązki elektronów.
Występują dwa rodzaje elektronolitografii:
Skaningowa – polega na naświetleniu rezystu przez sekwencyjne skanowanie powierzchni wiązką elektronową według określonego wzoru.
Wiązka sterowana jest komputerowo, nie istnieje konieczność stosowania maski, ale skanowanie sekwencyjne zwiększa czas naświetlenia;
Projekcyjna - wykorzystuje szeroką, niezogniskowaną wiązkę elektronów dla odtworzenia wzoru w trakcie pojedynczego naświetlenia;
Rentgenolitografia - proces litografii polegający na odtworzeniu wzoru na podłożu półprzewodnikowym przez naświetlanie rezystu przy pomocy wiązki promieniowania rentgenowskiego (długości fali od 0,5-4,0 nm).
Jonolitografia - proces litografii polegający na odtworzeniu wzoru na podłożu półprzewodnikowym przez skanowanie powierzchni przy pomocy wiązki jonów. Rozdzielczość jonolitografii nie przekracza 10 nm.
Nanopieczątkowanie - proces litografii polegający na przeniesieniu wzoru lub nanostruktury przez deformację rezystu pieczęcią i uformowanie nanostruktur lub elementów układu elektronicznego na podłożu półprzewodnikowym.
Wzór jest formowany na skutek mechanicznej deformacji powłoki polimerowej rezystu przy użyciu formy (pieczęci).
Istnieje możliwość uzyskania nanostruktur o wymiarach mniejszych niż 10 nm.
Litografie interferencyjne - metoda tworzenia wzorów na powierzchni materiałów za pomocą wykorzystania zjawiska interferencji dwóch lub większej ilości liczby wiązek laserowych.
By otrzymać interferencję należy podzielić wiązkę w jednym z układów interferencyjnych.
W układzie takim wiązka dzielona jest np. przy pomocy pryzmatu.
Następnie wiązki są składane w jednym miejscu tworząc wzór interferencyjny.
Odpowiednio duża moc wiązki laserowej może dać w ten sposób usunięcie materiału w maksimach interferencyjnych pozostawiając w minimach materiał nienaruszony.
Uzyskuje się w ten sposób powtarzalny wzór na stałe utrwalony na powierzchni danego materiału.
- Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Określić warunki występowania oraz podać przykłady zastosowania.
Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne – zjawisko fizyczne polegające na przenoszeniu nośników ładunku między pasmami energetycznymi, na skutek naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od przerwy energetycznej materiału.
Warunek występowania:
Energia fotonu musi być większa od przerwy energetycznej materiału.
Przykłady zastosowania:
-Ogniwa fotowoltaiczne,
- Fotodetektory,
- Matryca fotodetekcyjna aparatu fotograficznego, noktowizja
