Zagadnienia specjalnościowe od 1 do 10

Question 1

1. Bonding elektrostatyczny (anodowy): szkła, mycie i aktywacja, rodzaje bondingu, procedury, transport ładunków, fizyko-chemia bondingu, zastosowanie w technice mikrosystemów.

Answer 1

Bonding anodowy to proces niskotemperaturowego łączenia metali lub półprzewodników z dielektrykami za pomocą pola elektrycznego.

Szkło stosowane w bondingu anodowym:

• bardzo dobre parametry mechaniczne,
• duża odporność na pękanie podczas schładzania,
• dopasowana rozszerzalność termiczna do krzemu,
• odpowiednie przewodnictwo elektryczne,
• wysoka odporność na przebicie elektryczne w podwyższonej temperaturze (np. szkło boro-krzemowe typu Pyrex).

Mycie i aktywacja szkła:

• Usunięcie zanieczyszczeń organicznych (detergenty, rozpuszczalniki np. aceton),
• Usunięcie zanieczyszczeń nieorganicznych (kwasy, płukanie w chromiance, hydrofilizacja).

Rodzaje bondingu:

• wielowarstwowy,
• selektywny,
• boczny,
• anodowy wysokotemperaturowy.

Procedura bondingu:

Na podłoże krzemowe nakłada się szkło.
Podłoże i szkło przylegają dzięki siłom van der Waalsa.
Układ krzem-szkło jest rozgrzewany do 300-500°C.
Krzem polaryzowany dodatnio, szkło ujemnie (500-2000V).
Pole elektryczne tworzy silne przyciąganie na granicy krzemu i szkła.

Transport ładunku:
Ładunek Q przemieszcza się od warstwy zubożonej do katody, generując prąd I w zewnętrznym obwodzie zasilającym.

Fizyko-chemia bondingu:

Elektroliza Na₂O (tlenek sodu) w polu elektrycznym w rozgrzanym szkle,
Dysocjacja wody na powierzchniach krzemu i szkła.

Zastosowanie w technice mikrosystemów:

• Czujniki ciśnienia i przyśpieszenia,
• Układy lab-on-a-chip,
• Mikroreaktory.

Question 2

2. Domieszkowanie warstw: dyfuzja i implantacja jonów, wygrzewanie (RTA).

Answer 2

Domieszkowanie to proces wprowadzania obcych jonów/atomów do sieci krystalicznej metalu, półprzewodnika lub materiału ceramicznego, tworzących roztwory stałe.

Metoda dyfuzji:

• Tworzy warstwy domieszkowania o różnej grubości i koncentracji powierzchniowej.
• Umożliwia kontrolowanie rozkładu przestrzennego domieszek przez warstwy dielektryczne (zjawisko maskowania).
• Jest procesem wysokotemperaturowym, prowadzonym w piecu dyfuzyjnym.

Metoda implantacji jonów:

• Proces niskotemperaturowy, wymagający skomplikowanej i kosztownej aparatury.
• Powoduje uszkodzenia struktury krystalicznej, które wymagają późniejszego wygrzewania.
• Charakteryzuje się dużą precyzją i powtarzalnością.
• Umożliwia tworzenie płytkich warstw domieszkowanych z różnym rozkładem koncentracji domieszek.

Wygrzewanie RTA (Rapid Thermal Annealing):

• Alternatywna metoda wygrzewania końcowego po procesie dyfuzji lub implantacji.
• Krótkotrwałe wygrzewanie (do kilkunastu sekund) w wysokiej temperaturze (1000°C).
• Aktywuje elektrycznie nieaktywne jony w strukturze krystalicznej.

Question 3

3. Dyspersja światłowodów – definicje, klasyfikacja, przykładowe wartości, wpływ na jakość transmisji światłowodowej.

Answer 3

Dyspersja to zjawisko, w którym prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej zależy od jej częstotliwości.

Klasyfikacja dyspersji w telekomunikacji:

• Opisuje degradację sygnału, gdy różne składowe fali rozchodzą się z różnymi prędkościami.

Dyspersja w komunikacji światłowodowej:

• Dyspersja międzymodowa: Występuje w światłowodach wielomodowych, powoduje degradację sygnału przy częstotliwościach [200-800 MHz/km], zazwyczaj ~500 MHz/km. Stosowana na krótszych odcinkach.
• Dyspersja chromatyczna: Występuje w światłowodach jednomodowych, z wartością [0-20 ps/km-nm (ps - pikosekunda, km – kilometr, nm – szerokość widmowa źródła)].
  Składa się z:
• Dyspersji materiałowej: Zmiana współczynnika załamania szkła w funkcji długości fali.
• Dyspersji falowej: Zależność efektywnego współczynnika załamania od częstotliwości, często spowodowana wędrowaniem wiązki przez płaszcz światłowodu.

Question 4

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.

Answer 4

Ekrany ciekłokrystaliczne (LCD) działają na zasadzie zmiany polaryzacji światła przez zmianę orientacji cząsteczek ciekłego kryształu pod wpływem pola elektrycznego.

Kluczowe elementy:

• Warstwa orientująca: Zapewnia odpowiedni rozkład molekuł ciekłego kryształu.
• Temperatura pracy: Kontrast spada w wysokich temperaturach (ekrany działają do ~70°C).

Kąt widzenia:

• Zmiana kąta wpływa na saturację barw, kontrast i jasność w zależności od pozycji użytkownika, co może być problematyczne przy użytkowaniu.

Typy wyświetlaczy LCD:

• 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 na piksel, ciekłe kryształy zmieniane w jednej 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 jednej komórce.

Question 5

5. Ekrany plazmowe – charakterystyka U/I wyładowania w gazie, zasady działania ekranów DC PDP oraz ACM PDP i ACC PDP (przebiegi napięciowo-prądowe), podstawowe parametry.

Answer 5

DC-PDP (Direct Current Plasma Display Panel)
* Zasada działania: Ekrany plazmowe stałoprądowe działają przy stałym napięciu. Wyładowanie plazmowe generuje jeden krótki impuls świetlny.
* Generacja impulsu: Kolejny impuls wymaga zmniejszenia napięcia poniżej określonej wartości (napięcie gaszenia).

ACM-PDP (Active Matrix Plasma Display Panel)
* Konfiguracja: Ekran z odizolowanymi ortogonalnymi elektrodami na tylnej i przedniej płycie.
* Zaleta: Szybsze wypalenie luminoforu, co przekłada się na lepszą jakość obrazu.

ACC-PDP (Coplanar Plasma Display Panel)
* Konfiguracja: Ekran z koplanarnym (w jednej płaszczyźnie) ułożeniem elektrod.
* Działanie: Plazma powstaje poprzecznie do powierzchni elektrod i luminoforu, co wpływa na efektywność wyświetlania.

Podstawowe parametry ekranów PDP:
* Wysoki kontrast: Głębokie czernie i jasne biele.
* Żywe kolory: Intensywne i realistyczne barwy.
* Szeroki kąt widzenia: Obraz dobrze widoczny z różnych kątów.

Question 6

6. Formowanie podstawowych konstrukcji mikromechanicznych metodą głębokiego mokrego trawienia anizotropowego i izotropowego krzemu.

Answer 6

Anizotropowość: Trawienie z różną szybkością w różnych kierunkach.

Izotropowość: Trawienie równomiernie we wszystkich kierunkach.

Metoda głębokiego mokrego trawienia anizotropowego
Opisują ją następujące parametry:

• Szybkość trawienia: płaszczyzn (100), (110), (111).
• Selektywność roztworu trawiącego: względem masek tlenowych i azotowych.
• Szybkość trawienia naroży: wzorów wypukłych.
• Jakość powierzchni trawionych: gładkość i struktura.
• Temperatura procesu: wpływa na szybkość i jakość trawienia.

Trawienie w wodno-alkoholowych roztworach

• Kwasów: kwas azotowy, siarkowy, solny.
• Zasad: KOH (wodorotlenek potasu), NaOH, H₂O₂.

Proces trawienia

• Utlenianie/redukcja powierzchni: a następnie usunięcie rozpuszczalnych produktów reakcji.
• Rodzaj trawienia: może być izotropowy lub anizotropowy.
• Sterowanie procesem: trudne do kontrolowania.
• Ograniczenia: ograniczone wymiary trawionych struktur (wymiary <1 nm).
• Kontrola: głębokości trawienia oraz jego obszaru (kształt i rozmiary).

Question 7

7. Kamera video – filtr optyczny addytywny i subtraktywny, zasada działania kamery z DFO typu „zielona szachownica” oraz kamery dwuprzetwornikowej.

Answer 7

Zasada działania:

• Filtry przepuszczają określoną długość fali i odbijają pozostałe.
• Selektywna transmisja lub odbijanie promieniowania pozwala na kształtowanie widma światła.

Rodzaje filtrów:

1. Filtr optyczny addytywny:
   * Mieszanie barw światła, poszerzając skład widmowy.
   * Zwiększa liczbę fotonów w wiązce, tworząc jaśniejszą barwę niż składowe.
2. Filtr optyczny subtraktywny:
   * Odejmowanie promieniowania różnych zakresów widzialnych.
   * Światło jest pochłaniane przez powierzchnie, od której się odbija, zmieniając barwę.

Kamera z Dyskretnym Filtrem Optycznym (DFO)
* Typ “zielona szachownica”: 50% zielonych, 25% czerwonych i 25% niebieskich filtrów.
* Czułość oka: Większa czułość na zielone barwy zapewnia bardziej szczegółowy obraz.
* Obraz z sensora: Różni się od ostatecznego obrazu, ponieważ filtr przepuszcza tylko fragment spektrum.
* Piksele: Każdy zawiera część informacji o kolorze, reszta uzyskiwana przez analizę sąsiednich pikseli za pomocą algorytmu demozaikującego.

Kamera dwuprzetwornikowa
* Zasada działania: Zjawisko ugięcia na pryzmacie padających promieni świetlnych, które są następnie przepuszczane przez filtry do odpowiednich sensorów.

• Rejestrowany obraz:
• W dobrym oświetleniu: Sensor barwny.
• W słabym oświetleniu: Przełączenie na sensor monochromatyczny, umożliwiający wyraźne zobrazowanie w odcieniach szarości.

Question 8

8. Klasyfikacja detektorów promieniowania (w tym półprzewodnikowych), mechanizmy detekcji, zastosowanie.

Answer 8

Klasyfikacja detektorów

1. Fotonowe:
   
   • Fototranzystory
   • Zjawiska fotowoltaiczne
2. Termiczne
3. Falowe:
   
   • Optyczna detekcja heterodyny

Mechanizm detekcji w detektorach półprzewodnikowych

• Jonizacja atomów: Powoduje wytworzenie par elektron-dziura w półprzewodnikach.
• Dziury: Poruszają się podobnie jak elektrony, można je wyobrażać jako dodatnio naładowane cząstki powstające przy usunięciu elektronu.
• Energia tworzenia par: Średnia energia potrzebna do stworzenia pary elektron-dziura jest mniejsza niż do zjonizowania atomu w gazie.
• Zdolność rozdzielcza: Półprzewodniki produkują więcej nośników prądu niż gaz, co daje lepszą energetyczną zdolność rozdzielczą detektorów półprzewodnikowych.

Zastosowanie detektorów

• Liczniki Geigera-Mullera: Wykrywają dowolny rodzaj promieniowania.
• Liczniki scyntylacyjne
• Komory jonizacyjne: Służą do pomiaru ekspozycji, mierząc ładunek elektryczny tworzący się przez promieniowanie w jednostce masy.

Question 9

9. Klasyfikacja detektorów światła. Podać przykłady konstrukcji i porównać parametry.

Answer 9

Klasyfikacja detektorów światła

• Fizyczne zasady działania: Termiczne, kwantowe.
• Zastosowanie: Telekomunikacja, astronomia.
• Konstrukcja: Elementy pojedyncze, linijki detektorów CCD.

Przykłady konstrukcji

1. Fotorezystor
   * Działanie: Światło zmniejsza rezystancję, zwiększając prąd.
   * Zastosowanie: Pomiar temperatury, wykrywanie zanieczyszczeń, detekcja strat ciepła.
2. Fotodioda
   * Działanie: Światło generuje prąd fotoelektryczny przy polaryzacji zaporowej.
   * Zastosowanie: Układy pomiarowe, zdalne sterowanie, urządzenia optyczne.
3. Fototranzystor
   * Działanie: Światło oświetla bazę, wzmacniając prąd fotoelektryczny.
   * Zastosowanie: Układy pomiarowe, przetworniki A/C, układy optoelektroniczne.

Parametry detektorów

• Zakres widmowy
• Czułość: Liczniki fotonów, detektory mocy.
• Używane materiały: Metal, półprzewodnik, dielektryk.
• Cena: Fotoprzewodnik -> fotodioda -> fotopowielacz.

Question 10

10. Klasyfikacja laserów półprzewodnikowych, właściwości, podstawowe parametry.

Answer 10

Klasyfikacja laserów diodowych

Ze względu na strukturę i technologię wytwarzania:
* Homostrukturalne: Jeden rodzaj materiału półprzewodnikowego.
* Heterostrukturalne: Różne materiały półprzewodnikowe, tworzące heterozłącza:
- Pojedyncze heterozłącza (SH).
- Podwójne heterozłącza (DH).
- Kwantowe studnie (QW): Warstwy półprzewodnikowe o grubości kilku nanometrów, z efektami kwantowymi.

Ze względu na sposób generacji promieniowania:
* Impulsowe: Emitują światło w krótkich impulsach.
* Ciągłe (CW): Emitują światło w sposób ciągły.

Ze względu na długość fali emisji:
* Widzialne: 400 - 700 nm.
* Podczerwień (IR): 700 nm - kilka mikrometrów.
* Ultrafiolet (UV): Poniżej 400 nm.

Ze względu na zastosowanie:
* Telekomunikacyjne: Emisja w zakresie 1300 nm lub 1550 nm.
* Medyczne: Zabiegi chirurgiczne i terapia.
* Przemysłowe: Cięcie, spawanie i obróbka materiałów.

Właściwości laserów półprzewodnikowych
* Wysoka efektywność: Skuteczna konwersja energii elektrycznej na optyczną.
* Kompaktowość: Niewielkie rozmiary i łatwa integracja.
* Bezpośrednia modulacja: Szybka modulacja prądu zasilającego.
* Szeroki zakres długości fal: Emisja w szerokim zakresie.
* Stabilność i trwałość: Wysoka niezawodność i długowieczność.

Podstawowe parametry
* Długość fali emisji (λ): Kolor emitowanego światła (nm).
* Moc wyjściowa: Całkowita moc optyczna emitowana przez laser (mW).
* Prąd progowy (Ith): Minimalny prąd potrzebny do emisji (mA).
* Efektywność kwantowa: Stosunek liczby emitowanych fotonów do liczby wstrzykiwanych elektronów (%).
* Szerokość linii spektralnej (Δλ): Szerokość pasma emisji lasera (nm lub MHz).
* Charakterystyka prądowo-mocowa (P-I): Zależność mocy wyjściowej od prądu zasilającego.
* Temperatura pracy: Zakres stabilnej pracy lasera (°C).