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Auf dieser Website finden Sie die Lösungen zu Aufgaben aus dem Lehrbuch. Außerdem können Sie hier im Laufe der Zeit Informationen, Bilder oder Videos zu den einzelnen Kapiteln finden.

Lösungen

Lösung 18.1

Si-Standardprozess:

Vorteile: Hohe Integrationsdichte, hohe Performance, hohe Zuverlässigkeit, hohe Lebensdauer, Etablierte Technologie

Nachteile: teure und teilweise giftige Ausgangsmaterialien, aufwändiger Prozess, substratgebunden, große Entwicklungs- und Lernzyklen, teurer Prozess

Dünnfilmtechnik:

Vorteile: große Substratunabhängigkeit, einfacher Prozess, großflächige Anwendungen möglich, etablierte Technologie

Nachteile: relativ teures Herstellungsequipment, giftige Ausgangsmaterialien, keine flexiblen low-cost Substrate, geringe Performance, geringere Stabilität

Gedruckte Elektronik:

Vorteile: kostengünstig, substratunabhängig, große Materialauswahl, ungiftige Ausgangsmaterialien, einfacher Prozess, schneller Prozessdurchlauf, hoher Durchsatz, großflächige Elektronik möglich,  flexible, flache und transparente Elektronik realisierbar

Nachteile: geringe Performance, hohe Strukturgrößen, moderate Stabilität, begrenzte Lebensdauer, unausgereifte Technologie

Anwendungsgebiete:

Standard Siliziumtechnik wird aufgrund der oben genannten Punkte immer dort Anwendung finden, wo es auf hohe Funktionalität auf kleiner Fläche ankommt. Gedruckte Elektronik ist zwar kostengünstiger, bietet aber geringe Performance auf relativ großer Fläche. Man wird sie also überall in kostengünstigen Anwendungen finden, wo die Schaltungsfläche und die elektrische Performance eine untergeordnete Rolle spielen.

Lösung 18.2

Bei einer Schottky-Diode ist ein halbleitendes Material zwischen zwei unterschiedlichen Kontaktmaterialien eingebracht. Das eine Kontaktmaterial ermöglicht einen guten Ladungsträgeraustausch zwischen Kontakt und Halbleiter, das andere Kontaktmaterial bildet aufgrund einer Fehlanpassung der Austrittsarbeiten eine Schottky-Barriere zum Halbleiter aus. Wird eine Spannung in Flussrichtung angelegt, dann wird für die Ladungsträger die Schottky-Barriere abgebaut und der Strom steigt mit der angelegten Spannung exponentiell an. In Sperrrichtung bleibt für die Ladungsträgerinjektion von der Elektrode in den  Halbleiter die Schottky-Barriere nahezu konstant und es fließt nur ein geringer Sperrstrom.

Aufgrund der geringen Ladungsträgerbeweglichkeit in gedruckten halbleitenden Materialien wird der Strom in Flussrichtung in einer gedruckten Diode durch die sich aufbauende Raumladung bei hohen Spannungen begrenzt. Man befindet sich im Regime der raumladungsbegrenzten Ströme.

Lösung 18.3

Barrierenhöhe: Ein Maß für das Gleichrichtungsvermögen der Diode

Idealitätsfaktor n: Ein Maß für die Qualität des Schottky-Kontaktes

Beweglichkeit µ: Sie bestimmt die maximalen Vorwärtsströme und das Schaltverhalten einer gedruckten Diode

Durchlass-Sperrverhältnis: Ein Maß für das Gleichrichtungsverhalten einer Dioden bei niedrigen Frequenzen

Lösung 18.4

Lösung 18.5

  • top gate/bottom contact
  • top gate/top contact
  • bottom gate/top contact
  • bottom gate/bottom contact

Lösung 18.6

Übertragungskennlinie: Hier wird der Source-Drain-Strom in Abhängigkeit von der Gate-Spannung gemessen. Die Source-Drain-Spannung bleibt während der Messung konstant. Durch das Anwachsen der Gate-Spannung sammeln sich immer mehr Ladungsträger an der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche an, die Kanalleitfähigkeit steigt an und damit wächst der Strom zwischen Source- und Drain-Elektrode.

Ausgangskennlinie: Hier wird der Strom zwischen Source- und Drain-Elektrode in Abhängigkeit von der Source-Drain-Spannung gemessen. Die Gate-Spannung bleibt während der Messung konstant. Bei Anlegen einer kleinen S/D-Spannung steigt zunächst der S/D-Strom linear mit der angelegten Spannung an. In diesem Bereich ist die Spannungsdifferenz zwischen Gate- und Drain-Kontakt immer noch sehr hoch, d.h. es befinden sich auch am Drain-Kontakt genügend Ladungsträger an der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche. Somit ist über den gesamten Kanal unter der Gate-Elektrode eine gute Kanalleitfähigkeit gewährleistet und der Transistor arbeitet wie ein Widerstand. Durch Anwachsen der Source-Drain-Spannung wird allerdings die Spannungsdifferenz zwischen Drain- und Gate-Elektrode immer stärker abgebaut. Dadurch nimmt auch die Zahl der Ladungsträger im Kanal an der Drain-Elektrode immer stärker ab. Die damit verbundene Erhöhung des Kanalwiderstandes im Drain-Kontaktbereich führt schließlich zu einer Abweichung vom linearen Anstiegsverhalten des Source-Drain-Stromes mit der Source-Drain-Spannung und schließlich zu einem Sättigungsverhalten des Stromes wenn die Source-Drain-Spannung den Wert der Gate-Spannung übersteigt.

Lösung 18.7

On-Strom: Nimmt Einfluss auf die Schaltgeschwindigkeit des Transistors.

Off-Strom: Im Off-Strom spiegelt sich die Restleitfähigkeit des Halbleitermaterials wider.

On-Off-Verhältnis: Es beschreibt das Schaltverhalten eines Transistors und ist eine wichtige Kenngröße beim Schaltungsdesign.

Gate-Leckstrom (ISG): Der Gate-Leckstrom wirkt sich negativ auf die Transistorperformance aus und sollte daher so gering wie möglich sein.

Schwellspannung (Uth): Ist ein Korrekturterm, der Einflüsse des Halbleitermaterials (Dotierung, Qualität etc.), des Isolators (Polarisation, Grenzflächeneigenschaften) und der Elektrodenmaterialien (Austrittsarbeiten etc.) berücksichtigt.

Ladungsträgerbeweglichkeit (µ): Maß für die Geschwindigkeit mit der die Ladungsträger an der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche transportiert werden können.

Lösung 18.8

0.017 cm2/Vs

Lösung 18.9

Materialien müssen in Lösung vorliegen, keine unerwünschte Entmischung bei Gemischen, kontrollierte Benetzungs- bzw. Entnetzungseigenschaften, untere Schicht darf nicht angelöst werden, gute Haftung der Schichten untereinander, homogene Schichtbildung/Schichtdicke, mechanisch stabil (flexibel), stabil gegenüber Umwelteinflüssen, verarbeitbar bei Temperaturen unter ca. 150°C, kontrollierbare elektrische Eigenschaften/Wechselwirkungen.

Lösung 18.10

Kosten, elektrisches Verhalten, Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit, mechanische Eigenschaften, Oberflächenqualität, Kapselwirkung (Barriere gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf).

Bei Betrachtung dieser Eigenschaften eignet sich Kunststofffolie am besten für eine low-cost Volumenproduktion.

Lösung 18.11

hoher spezifischer Widerstand und eine hohe Durchbruchfeldstärke

Lösung 18.12

Anorganische Dielektrika: Vorteile: teilweise hohe Dielektrizitätszahl. Nachteile: Verarbeitung im Druck relativ teuer und aufwändig, teils hohe Abscheidetemperaturen, Schichtqualitäten teilweise recht gering.

Organische Dielektrika: Vorteile: Verdruckbarkeit aus einer Lösung, geringe Prozesstemperaturen, kostengünstige Abscheidetechniken. Nachteile: chemische Wechselwirkung mit dem Untergrund, teils geringe thermische und chemische Stabilität.

Mehrkomponentensysteme: Vorteil: elektrische Performance bzw. mechanische Eigenschaften der Schicht gezielt positiv beeinflussbar. Nachteil: komplexeres System.

Lösung 18.13

Anorganische Halbleiter ( kristallin, polykristallin, amorph, Nanopartikel, Fullerene, Carbon Nanotubes): Vorteile: n/p-Typ Halbleiter verfügbar, hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten, sehr gute Stabilität/Lebensdauer,  transparente Elektronik möglich. Nachteile: schlechte Filmqualität, schlechte Löslichkeit, schlecht dispergierbar, schlechte Haftung, aufwändige Prozesse/hohe Prozesstemperaturen/Oxidation, brüchig, d.h. nur bedingt geeignet für flexible Elektronik, Prozess häufig schlecht hochskalierbar, teuer in der Verarbeitung.

Organische Halbleiter (kleine Molekuüle, Oligomere, Polymere): Vorteile: gute Filmqualität, gute Löslichkeit (Polymere), gute Kompatibilität zum Druck, niedrige Prozesstemperaturen, flexible und kostengünstige Elektronik möglich. Nachteile: nur gute p-Typ Halbleiter verfügbar, geringe Ladungsträgerbeweglichkeiten, geringe Stabilität/Lebensdauer, keine ausgereiften Materialien

Halbleitende Mischsysteme: Vorteil: elektrische Performance bzw. mechanische Eigenschaften der Schicht gezielt positiv beeinflussbar. Nachteil: komplexeres System.

Lösung 18.14

Anorganische Leiter (Metalle, Nanopartikel, Carbon Nanotubes), organische Leiter

Lösung 18.15

geeignete Dotierung

Lösung 18.16

Standard-Druckgedruckte Elektronik
Ziel visuelle Informationsübertragung Herstellung elektronischer Schaltungen
Fokus hohe visuelle Qualität gute elektrische Performance
Strukturgrößen 10-100µm gewünscht kleiner 1µm
Schichtdichten µm-Bereich nm-Bereich

Lösung 18.17

Oberflächenenergie/Oberflächenspannung: Maß für die Stärke der Bindungen in einer Flüssigkeit, sowie für die Affinität zw. einer Flüssigkeit und einer Festkörperoberfläche

Rheologie: Beschreibt die Verformung und das Fließverhalten eines Materials abhängig von z.B. Krafteinwirkung, Fließrate, Temperatur, Grad der Verformung etc.

Viskosität: Beschreibt die Kraftwirkung zwischen den Molekülen und damit die Zähigkeit bzw. innere Reibung einer Flüssigkeit.

Zügigkeit: Beschreibt die Kraft für das Spalten (Übertrag der Tinte von A nach B) einer Tinte beim Druck.

Adhäsion: Beschreibt die molekulare Wechselwirkung an der Grenzfläche zweier Materialien (Haftung).

Kohäsion: Beschreibt die molekulare Wechselwirkung innerhalb eines Materials (mechanische Stabilität der Schicht).

Lösung 18.18

Herkömmliche Drucktechniken (Hochdruck, Tiefdruck, Tampondruck, Offsetdruck, Siebdruck),

Digitale Drucktechniken (Tintenstrahldruck, Elektrographie, Thermographie, Magnetographie). Die digitalen Drucktechniken besitzen im Gegensatz zu den herkömmlichen Druckverfahren keine feste Druckform.

Lösung 18.19

Hochdruck

1. Die Tinte wird auf eine Rasterwalze übertragen
2. Überschüssige Tinte wird von einer Rakel abgestreift
3. Die erhabenen Stellen der Hochdruckwalze übernehmen die Tinte von der Rasterwalze
4. Die Tinte wird schließlich von der Druckwalze (Druckform) auf das Substrat übertragen

Vorteile: Rolle-zu-Rolle Anwendung möglich, auch niederviskose Polymerlösungen verdruckbar.
Nachteile: keine dicken Schichten möglich, gerade beim Flexodruck geringe Walzenstandzeiten.

Tiefdruck:

1.  Die Näpfchen werden im Tintenreservoire mit Tinte gefüllt.
2. Überschüssige Tinte außerhalb der Näpfchen wird mit der Rakel abgestreift.
3. Die Tinte wird durch Andruck mit einer Gegendruckwalze (Presseur) aus den Näpfchen auf den Bedruckstoff übertragen
4. Das bedruckte Substrat wird getrocknet.

Vorteile: hohe Druckqualität, Rolle-zu-Rolle-Druck kompatibel, Verwendung niederviskoser Tinten möglich.

Nachteile: hohen Kosten für Rasterwalzen, die schlechte Kantenschärfe, erhebliche Explosionsgefahr, dickere Schichten (>1µm) schwierig.

Tampondruck:

1. Die Farbe wird auf die Druckform (Klischee) aufgebracht.
2. Die Farbe wird mit Hilfe einer Rakel in die Vertiefungen der Druckform (Klischee) gedrückt.
3. Der Tampon aus Silikon wird auf das Klischee gedrückt
4. Beim Abheben wird die Tinte vom Klischee an den Tampon abgegeben
5. Durch Andrücken des Tampons auf den Bedruckstoff wird die Tinte übertragen.

Vorteile: Bedrucken gekrümmter Flächen möglich, hohe Registergenauigkeit.  Gute Auflösung.
Nachteile: relativ langsam, limitiert auf das Bedrucken kleiner Flächen.

Flachdruck/Offsetdruck

1. Die auf dem Plattenzylinder aufgespannte Druckplatte (meist aus Aluminium) nimmt an ihren nicht druckenden Stellen Wasser an, das von den Walzen des Feuchtwerks aufgetragen wird.
2. Danach nimmt der Plattenzylinder an den druckenden Stellen fetthaltige Druckfarbe an, die vom Farbwerk geliefert wird. Die Farbe wird von den wasserhaltigen Stellen der Platte abgestoßen.
3. Die Platte überträgt das seitenrichtige Druckbild seitenverkehrt auf das Gummituch, das auf dem Gummizylinder aufgespannt ist.
4. Das Gummituch überträgt das nun seitenverkehrte Bild wieder seitenrichtig auf den zwischen Druckzylinder und Gummizylinder durchlaufenden Bedruckstoff (z.B. Papier).

Vorteile: Hohe Druckgeschwindigkeiten, relativ niedrige Druckplattenkosten. Auch Auflösungen kleiner 10µm möglich.
Nachteil: Quellen des Bedruckstoffes und daher mit Dimensionsänderungen möglich, niederviskosen Polymerlösungen schwer zu verdrucken.

Siebdruck/Durchdruck:

1. Die Tinte wird auf das Sieb aufgebracht. Dabei befindet sich das Sieb nicht in Kontakt mit dem Bedruckstoff.
2. Mit einer Rakel wird lokal das Sieb an den Bedruckstoff und gleichzeitig die Tinte durch die Öffnungen im Gewebe gedrückt.
3. Nach der Rakel hebt sich das Sieb durch die Siebspannung wieder vom Bedruckstoff ab, während die Tinte am Bedruckstoff haften bleibt.

Vorteile: recht einfache aber sehr flexible Druckmethode, großflächig anwendbar, Herstellung dicker Schichten.
Nachteil: geringe Auflösung

Tintenstrahldruck:

Druckvorgang beim kontinuierlichen Tintenstrahldruck:

1. Tinte wird kontinuierlich aus einer Düse abgegeben
2. Elektrostatisches Ablenken des Strahles beim Druck
3. Unverbrauchte Tinte wird zurückgeführt

Druckvorgang bei der „Drop on Demand“-Technik:

1. Tinte wird nur bei Bedarf durch kurzzeitiges Erhitzen („bubble jet“) oder piezo-gesteuert aus der Düse abgegeben.

Vorteile: flexibles Druckverfahren, ohne feste Druckform.
Nachteile: Pixelierung und damit ein schlechtes Druckbild,  relativ langsames Druckverfahren