Расчетно-пояснительная записка. Разработал(а): Колесник О

Разработал(а): __________________________________________ Колесник О. А ^{(подпись, дата)}

Руководитель: _________________________________________Плотникова Е. Ю.
^{(подпись, дата)}

Защищен(а)_____________________Оценка______________________________
^(дата)

Воронеж 2017 г.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ)

Факультет радиотехники и электроники

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

По дисциплине Информатика

Тема проекта Прозрачная электроника

Студент группы ЭНЭ-171 Колесник Олег Андреевич

Номер варианта 1

Технические условия материалы и оборудование кафедры ППЭНЭ

Содержание и объем проекта

Сроки выполнения этапов

Срок защиты курсовой работы

Руководитель ____________________________ Плотникова Е. Ю.
^{Подпись, дата}

Задание принял студент _______________________________ Колесник О. А.
^{Подпись, дата}

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1. Оксидная прозрачная пленка 5

2. Прозрачные транзисторы

2.1. Способ изготовления 13

2.2. Современный этап развития 16

Заключение 18

Список литературы 19

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время, всё больше внимания стало уделяться новому направлению в электронике, а именно прозрачной электронике. Это направление довольно-таки перспективно и открывает много новых возможностей. Изобретение, о котором сегодня речь, в перспективе может пригодиться, например, для превращения всей поверхности лобового стекла автомобиля в совершенно прозрачный и в то же время информативный многоцветный дисплей. Представьте себе шлем военных, на защитный лицевой пластик которого можно выводить карту местности, интерактивный компас и другую нужную информацию. Или стать прототип нового поколения носителей класса "электронная бумага" – столь дешёвых и доступных, что из такой бумаги не то что электронные книги делать – ею будет не жалко обклеивать окна. А уж какую одежду можно будет делать из такого материала! Прозрачную или полупрозрачную, отливающую всеми цветами радуги или меняющую рисунок также легко, как сейчас мы меняем одну музыкальную композицию в MP3 плеере на другую. Соответствующие технологии уже разрабатываются. Массовый выпуск прозрачной электроники, как ожидается, начнется уже через год или два. Развитие технологий обещает внедрить прозрачные электронные схемы во многие сферы нашей жизни. А может быть, всё будет совсем не так, и все эти сегодняшние фантазии через десяток-другой лет будут выглядеть так же смешно, как ламповые компьютеры фантастов на ионных космических кораблях? Ведь неведомые свойства новых материалов всегда приводят к изобретению совершенно неожиданных форм их использования…

ОКСИДНАЯ ПРОЗРАЧНАЯ ПЛЕНКА

Понятие прозрачная электроника, в первую очередь, базируется на использовании прозрачных в видимом диапазоне излучения подложек: стекол, кварца, полимеров.

Наиболее широко изучаемыми и используемыми в электронике прозрачными проводящими оксидными материалами (ППО) являются оксид индия, оксид индия легированный оловом (ITO), оксид цинка и оксид олова. Электрические свойства этих материалов приведены в табл.1.

Таблица 1 – Электрические характеристики прозрачных проводящих оксидов

Стоит отметить, что все три материала, включенных в таблицу, имеют n-тип проводимости и являются сильно вырожденными полупроводниками, т.е. концентрация электронов в них существенно превышает эффективную плотность состояний в зоне проводимости [1]. Кроме того, все хорошо известные и коммерчески используемые ППО также имеют n-тип проводимости. Поэтому, с точки зрения создания работающих структур (диодов, транзисторов), необходимо научиться выращивать пленки с дырочным типом проводимости. ППО р-типа являются относительно новым феноменом и их проводимость значительно хуже по сравнению с ППО n-типапроводимости.

Наиболее важным является применение оксидов металлов в конструкции жидкокристаллических дисплеев (LCD)

На рис.1. приведена послойная конструкция ЖК дисплея. Так слой 1 – это вертикальный поляризатор, слой 2 – стеклянная подложка с ITO электродами, слой 3 -закрученный нематический жидкий кристалл, слой 4 – стеклянная подложка с ITO электродами, 5 – горизонтальная фильтрующая пленка для блокировки/пропускания света, 6 – отражающаяповерхность.

Рис. 1. Конструкция жидкокристаллического дисплея с использованием скрученногонематика

Оксидные материалы используются и в конструкциях солнечных элементов на основе моно- и поликристаллического кремния. Прозрачные проводящие оксиды, используются в качестве тыльных и лицевых контактов, а также антиотражающих слоев [3]. На рисунке 2 приведены некоторые конструкции солнечных элементов, в которых используются прозрачные оксидныепленки.

Рис. 2. Схематические конструкции солнечных элементов с прозрачными оксиднымиматериалами

Новые изделия электроники на базе полимерных материалов в сочетании с неорганическими материалами, которые появятся в ближайшем десятилетии, революционным образом изменят условия эксплуатации электронного оборудования, расширят возможности информационных технологий, создадут предпосылки перехода на новые принципы организации, обучения, быта и развлечений. Задача украинской науки - "не прозевать" этот рывок и достойным образом включиться в развитие прозрачнойэлектроники.

Для развития прозрачной электроники важно разработать новые методы нанесения прозрачных проводящих и оптических пленок, которые соответствуют современным требованиям, в частности снижения стоимости и покрытия поверхностей различных размеров и форм.

Примером создания таких пленок является получение пленок Cd-Sn-O.

Нами для получения пленок Cd-Sn-O использован экстракционно-пиролитический метод. В качестве экстрагента использованы карбоновые кислоты, которые не смешиваются с водой, и в то же время находятся в жидком состоянии. Такими кислотами являются капроновая, каприловая, энантовая и пеларгоновая. Полученные в результате экстракции карбоксилаты кадмия и олова (RСОО)₂Cd, или мыла,нетоксичны.

Для уточнения концентрации металлов в экстрактах получены реэкстракты, которые исследованы методом атомной абсорбции на приборе ААМ-1С. Рабочие растворы были приготовлены смешиванием экстрактов в заданном соотношении 1:1, 2:1, 4:1, 6:1, 8:1. Расчет проводился по пропорциям (1):

c₁V₁S₁ =c₂V₂S₂. (1)

Были получены прозрачные желтого цвета пленки различного состава 1:1, 2:1, 4:1, 6:1 и 8:1. В таблице 2 приведены значения поверхностного сопротивления пленок CdSnO в зависимости от их состава итолщины.

расширят возможности информационных технологий, создадут предпосылки перехода на новые принципы организации, обучения, быта и развлечений. Задача украинской науки - "не прозевать" этот рывок и достойным образом включиться в развитие прозрачнойэлектроники.

Примером создания таких пленок является получение пленок Cd-Sn-O.

c₁V₁S₁ =c₂V₂S₂. (2)

Таблица 2 – Поверхностное сопротивление полученных пленок Cd-Sn-O

Количество нанесенных слоев	Поверхностное сопротивление, кОм/см² при соотношении компонентов Cd:Sn
1:1	2:1	4:1	6:1	8:1

			3,5	1,8	1,6
				0,95	1,3
			1,5	0,755
			1,1	0,66	0,75
			0,8	0,5	0,64
			0,6	0,435	0,455
			0,575	0,25	0,33
			0,525	0,22	0,31
			0,5	0,2	0,273
			0.45	0,235	0,245
			0,4	0,235	0,200

Из данных таблицы следует, что поверхностное сопротивление пленок Cd-Sn-O снижается с увеличением толщины пленок. Повышение содержания кадмия в составе оксида Cd-Sn-O приводит к снижению поверхностного сопротивления. Наилучшими проводящими свойствами обладают оксидные пленки из растворов экстрактов кадмия и оловавсоотношениях4:1(R=400Ом/см²),6:1(R=235Ом/см2)и8:1(R=200Ом/см²).Для

применения в прозрачной электронике, в частности, в составе солнечных батарей можно использовать состав Cd₄SnO.

Экстракционно-пиролитическим методом нами были получены прозрачные диэлектрические тонкие пленки SrTiO₃ на стеклянных подложках для создания антиотражающих покрытий. Для этого экстракты стронция и титана были смешаны в соотношении 1:1 и полученный раствор разбавлен до концентрации 2 %, которая оптимальна для получения пленок с хорошей адгезией. Равномерность пленок по толщине достигнута использованием вращения подложки со смачивающей пленкой со скоростью 1500 об/мин (метод spin-coating). После подсушивания пленки подвергали пиролизу при температуре 600 °С для получения слояSrTiO₃.

Согласно РФА фаза сложного оксида формируется после пиролиза смеси экстрактов в тигле при 600–700 °С. В тонких пленках фазообразование происходит быстрее и при пониженныхтемпературах.

Исследования спектров отражения стекол с пленками SrTiO₃ с различной толщиной проводились на приборе SpecordM400 и представлены на рис. 3.

Рис. 3. Спектры отражения

Пленки толщиной 90, 150 и 300 нм (3,5 и 10 слоев) показали практически идентичные результаты отражения на уровне 10 %, тогда как чистое стекло отражало на уровне 15 %. Таким образом, эффект антиотражения былдостигнут.

2. ПРОЗРАЧНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

2.1 Способ изготовления

На данный момент существует несколько способов создания прозрачных транзисторов. Один из них это создание транзисторов на основе углеродных нанотрубок с толщиной стенок этих самых трубок всего в один атом. Данный способ позволяет получать транзисторы обоих типов. При этом трубки используются в качестве активного канала, а используемые с ними электроды из оксида индия-олова выполняют функции классического истока, затвора и стока.

Теперь – вкратце о сути технологии. Первым делом на кварцевой подложке выращиваются нанотрубки. Затем они "печатаются" на стеклянную или полиэтиленовую подложку с предварительно нанесёнными электродами затвора из оксида индия-олова (indium-tin oxide), и далее наносятся прозрачные электроды стока и истока. В отличие от нетрассированных способов нанесения нанотрубок, масштабная техника структурирования нанотрубок позволяет получить транзисторы с высокой производительностью, высокой прозрачностью и механической гибкостью.

Рис. 3

Также американские и корейские физики расработали способ создания гибких и прозрачных транзисторов на основе графена и «мятых» пленок,состоящих из оксида алюминия. Физики объяснили, что подложка затвора должна изготавливаться из диэлектрического материала. В роли такогоматериала обычно выступает соединение металлов и кислорода, или оксид кремния. Однако ни одно из названныхсоединений не имеет достаточную гибкость для работы в «растягивающихся» транзисторах. Это крайне затрудняетразработку полностью гибких чипов и дисплеев. Ен Хи Ли со своими коллегами решил эту проблему необычным способом. Ученые «свернули» диэлектрическую подложкуи превратили ее из листа в «змейку». Когда подложка растягивается - она просто выпрямляется, но не рвется. Физиками успешно изготовлены несколько таких транзисторов. Они использовали для производства оксид алюминия,применив его в качестве диэлектрика, а также графен для производства проводящих частей транзистора. Как говорятспециалисты, подобные элементы можно использовать для изготовления прозрачных и гибких дисплеев, а также для других электронных приборов.

Исследователи Университета штата Орегон создали первый прозрачный транзистор из ZnO. Этот материал недорог, безопасен и легко обрабатывается. Оксид цинка обладает хорошей электропроводностью, его нетрудно раскатать тонким слоем без привлечения высокотемпературных технологий. Кроме этого, оксид цинка безвреден для окружающей среды.

Также есть способ нанесения транзисторов как краски на бумаге. Это очень перспективная технология, поскольку может привести к появлению исключительно дешёвой электроники с уникальными показателями гибкости и лёгкости. Суть технологии заключается в том, чтобы подобрать краски, одна из которых проводит ток, а другая является полупроводником, после чего нужно напечатать структуру заданной формы на подходящем носителе.

Учёные из университета Мэриленда опубликовали научную работу с описанием бумаги и красок для печати электронных схем с прозрачностью до 83,5%.

Согласно публикации на сайте PhysicsWeb, группа ученых из Японии объявила о разработке нового типа прозрачного полупроводника.

Хидео Хосоно (Hideo Hosono) и его коллеги из университетов Japan Science and Technology (Кавасаки) и Tokyo Institute of Technology (Токио), разработавшие технологию создания прозрачных транзисторов на базе монокристаллической тонкопленочной структуры окиси полупроводника, утверждают, что их разработка позволяет добиться скорости работы в десятки раз большей, нежели предыдущие.

Рис. 4 Структура прозрачного полевого транзистора, выполненная на основе индий-галлиевого окисла и оксида цинка - InGaO3(ZnO5)5/ZnO

2.2 Современный этап развития

Одна из основных причин возникновения такого интереса и активности в области прозрачной электроники – недавние серьезные достижения в увеличении подвижности носителей заряда (электронов и дырок) в прозрачных полупроводниках. Так, была значительно увеличена подвижность носителей в низкотемпературном поликремнии (low-temperature poly-Si) и аморфном кремнии, используемых в жидкокристаллических панелях.

Более того, удалось снизить стоимость компонентов. Прозрачные полупроводники типа GaN и алмаза уже известны, но они имеют высокую стоимость, что делает невозможным их использование в массовых прозрачных электронных приборах, требующих относительно больших экранов.

Оксиды, привлекающие повышенный интерес, могут быть разделены на две группы. Первая – оксид цинка (ZnO), и вторая – аморфные оксиды с содержанием тяжелых металлов типа аморфного InGaZnO4(а-IGZO). Обе пропускают видимый свет и почти полностью прозрачны. Подвижность носителей (мера их скорости в данном электрическом поле) в материалах, сделанных на основе ZnO, составляет 250 см²/В∙с. За последние несколько лет темп разработок ускорился, что связано с ростом подвижности носителей в ZnO, а изготовители активно создают приложения, основанные на a-IGZO. Хотя подвижность носителей в ZnO выше, чем в a-IGZO, тем не менее для изготовления дисплеев с большими экранами и электронной бумаги применяются материалы на базе a-IGZO.

Традиционные TFT-технологии на основе аморфного и поликристаллического кремния, хорошо подходящие для многих текущих приложений (почти все цветные экраны мобильных телефонов используют их), совершенно не пригодны для гибких и прозрачных приборов. Кроме того, такие TFT имеют малую подвижность носителей заряда, что ограничивает рабочие частоты для приборов этого типа. Органические TFT лучше подходят для гибких приложений и могут быть сделаны прозрачными. Однако подвижность носителей в них вообще весьма низкая, порядка 5 см²/В•с, что ограничивает быстродействие и, кроме того, они имеют относительно большие размеры.

Исследователи из нескольких университетов США сообщили о созданных с применением нанотехнологий новых TFT, которые имеют существенно большую подвижность носителей, чем другие TFT-материалы, и поэтому могут работать при более высоких частотах. Кроме того, их размеры намного меньше, что позволяет повысить степень интеграции микросхем, совершенно прозрачны и могут применяться в гибких устройствах. TFT используют новые совершенно прозрачные полупроводники с широкой запрещенной зоной и нанопроводники для соединения элементов схем. Транзисторы показывают хорошие рабочие характеристики, включая относительно высокие токи (до 10 мкА в нанопроводниках), высокую скорость переключения, необходимую для цифровых приложений, и низкую потребляемую мощность. В рамках проекта были созданы полностью прозрачные и механически гибкие нанотранзисторы (nanowire transistors, NWTS) на пластмассовых подложках.

Комбинация превосходной оптической прозрачности (до 81%) и механической гибкости соединений In2O3 и ZnO делают NWTS на их основе незаменимой технологией для изготовления прозрачных и гибких электронных устройств. Новые разработки демонстрируют, что наноэлектроника может быть полностью прозрачной и гибкой при очень высоком качестве. Устройства с NWTS изготовляются с использованием низкотемпературных методов обработки, которые позволяют интегрировать на пластик другие необходимые компоненты для достижения гибкости и легкости сборки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом наука не стоит на месте, разработка и производство прозрачных транзистор идет полным ходом. Опытные образцы уже были получены учёными из Японии, Америки и Германии, но эта область электроники только начинает своё развитие. А значит ещё очень много предстоит сделать, чтобы открыть дверь в мир прозрачной электроники.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Файловый архив студентов https://studfiles.net/preview/4287858/

2 NANO NEWS NET http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/gibkaya-prozrachnaya-elektronika-segodnya-nachalo-novoi-ery

3 Global Science http://globalscience.ru/article/read/255/

4 Jogh F.Wagner, Douglas A. Keszler, Rick E. Presley “Transparent electronics” / Springer Science+Business Media, LLC. – 2008

5 Satischara B. Ogale “Thin films and heterostructures for oxide electronics” / Springer Science+Business Media, Inc. – 2005

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Личностные качества волонтеров, которые определяют эффективность волонтерской работы

Три этапа Великой Отечественной войны

Расчет на прочность при срезе и смятии

Источники международного права

Контроль за санитарным состоянием тумбочек, холодильников, за ассортиментом и сроками хранения продуктов

МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

Самый сильный аргумент, почему эволюция человека не могла быть