كل شيء عن أشباه الموصلات

الصفحة الرئيسية أخبار أساسيات الإلكترونيات كل شيء عن أشباه الموصلات

2024-03-20 2515

وكانت أشباه الموصلات صناعة رئيسية للتنمية الوطنية في السنوات الأخيرة. لذا ما هي بالضبط أشباه الموصلات؟

في الحياة اليومية، يمكن تصنيف جميع الأشياء تقريبًا حسب موصليتها الكهربائية إلى ثلاث فئات: الموصلات، وأشباه الموصلات، والعوازل.

هذا سهل الفهم؛ الأشياء إما موصلة للكهرباء، أو غير موصلة للكهرباء، أو موصلة قليلاً. وهذه المواد على وجه التحديد غامضة وتظهر موصلية جزئية، وهي التي توفر للفيزيائيين فرصًا مختلفة للاستكشاف.

المواد التي تكون موصلة بحتة أو غير موصلة ليست ذات معنى كبير؛ إن المواد التي تتغير موصليتها في ظل ظروف مختلفة هي التي تثير الاهتمام.

دعونا نلقي نظرة على التوصيل الكهربائي للمواد من خلال رسم تخطيطي لفهم أكثر سهولة.

حسب موصليتها الكهربائية:

العوازل: ذات توصيل كهربائي منخفض، تتراوح تقريبًا من 20^-18S/سم إلى 10^-8S/سم، مثل الكوارتز المنصهر والزجاج.

الموصلات: ذات موصلية كهربائية أعلى، تتراوح من 10^4S/سم إلى 10^6S/سم، مثل المعادن مثل الألومنيوم والفضة.

أشباه الموصلات: التي تقع موصليتها الكهربائية بين موصلية العوازل والموصلات.

تشمل أشباه الموصلات الأولية الشائعة الموجودة في الطبيعة السيليكون والجرمانيوم. يقال إن أشباه الموصلات القائمة على الجرمانيوم تم اكتشافها واستخدامها في وقت أبكر من تلك القائمة على السيليكون، ولكن الميزة الطبيعية للسيليكون هي قدرته على تحمل التكاليف. تعلمون أن الرمل الشائع في الطبيعة يحتوي على كمية كبيرة من السيليكون!

على الرغم من وجود الكثير من رمل السيليكا في الطبيعة، إلا أنه يحتوي على الكثير من الشوائب والعيوب، لذلك لا يمكن استخدامه مباشرة ويحتاج إلى صقل.

كيف يمكننا صقلها؟ في كلمة واحدة - حرق!

تمامًا كما تعلمنا في الكيمياء في المدرسة الإعدادية، نقوم بإجراء تفاعلات الأكسدة والاختزال.

SiC + SiO2 → Si (صلب) + SiO2 (غاز) + CO (غاز)
Si (صلب) + 3HC → SiHCl3 (غاز) + H2 (غاز)
SiHCl3 (غاز) + H2 (غاز) → Si (صلب) + 3HCl (غاز)

وبعد ثلاثة تفاعلات كيميائية ذات درجات حرارة عالية، نحصل على السيليكون الصلب، ولكن في هذه المرحلة يكون السيليكون متعدد البلورات.

ما هو السيليكون متعدد البلورات؟

تمامًا كما هو الحال عندما نقوم بتقشير البرتقالة، يوجد بداخلها العديد من الأجزاء (شرائح متعددة البلورات)، ولكل قطعة طعم مختلف (الاتجاه البلوري). نحن بحاجة إلى اختيار الجزء الأفضل مذاقًا والسماح له بالنمو من تلقاء نفسه!

كيفية جعل بلورة واحدة صغيرة تنمو بشكل فردي؟

إن الفيزيائيين أذكياء بالفعل، حيث اخترعوا طريقة لتنمية بلورات مفردة تسمى طريقة تشوخرالسكي، وربما سميت على اسم العالم الذي طورها.

هناك أيضًا مصطلح صناعي بديهي لهذه العملية، يُعرف باسم طريقة بريدجمان!

لأنه عند زراعة بلورات مفردة، فإن الأمر يشبه سحب البلورات الصغيرة إلى الأعلى! سرعة السحب بطيئة بعض الشيء. ألقِ نظرة على هذا الجهاز:

القضيب الأسطواني الأزرق الموجود في الصورة عبارة عن سيليكون بلوري واحد. أثناء عملية السحب، تدور أثناء سحبها لأعلى، مما ينتج عنه سبيكة أسطوانية تمت تنميتها بطريقة بريدجمان.

يتم بعد ذلك تقطيع السبيكة المزروعة إلى قطع على شكل قرص باستخدام شفرات ميكانيكية، لتكوين ما نسميه الرقائق.

هل تبدو هذه العملية مألوفة بالنسبة لك؟

هذه هي الطريقة التي يتم بها إنتاج الرقائق.

على الرغم من أننا نمتلك الآن الرقائق، إلا أن الخصائص الكهروكيميائية للسيليكون البلوري الأحادي في هذه المرحلة ليست كافية للاستخدام المباشر في صنع الرقائق. ثم يعمل المهندسون على تعديل الخواص الكهروكيميائية للسيليكون البلوري الأحادي.

كيف يقومون بتعديل السيليكون البلوري الواحد؟

أولاً، دعونا نتعمق في بعض الفهم لعنصر السيليكون. في الجدول الدوري، يتم وضع السيليكون في المركز الرابع عشر. تحتوي ذرة السيليكون على أربعة إلكترونات في غلافها الخارجي، والتي تتشاركها مع أربع ذرات مجاورة، لتشكل أربعة أزواج من الإلكترونات المشتركة. يُعرف هذا الهيكل لأزواج الإلكترونات المشتركة بالرابطة التساهمية. يشكل كل زوج من الإلكترونات رابطة تساهمية.

ربما تكون قد تعلمت عن هذا الجزء في الكيمياء في المدرسة المتوسطة. دعونا نلقي نظرة على الصورة لفهم بصري أكثر:

تُظهر الصورة اليسرى التركيب البلوري للسيليكون البلوري الأحادي، والذي يشبه تركيب بلورة الماس. على اليمين، لدينا تصوير لذرات السيليكون التي تتشارك الإلكترونات، مع ذرة سيليكون واحدة في المركز تتشارك الإلكترونات مع أربع ذرات سيليكون "شقيقة".

في أحد الأيام، خطرت ببال أحد الفيزيائيين فكرة مفاجئة: ماذا لو لم يشارك السيليكون الإلكترونات مع ذراته "الأشقاء" وقام بدعوة "الأشقاء" الآخرين إلى المجموعة؟

وفي أحد الأيام، دعا الفيزيائي الزرنيخ للانضمام إلى المجموعة، ثم حدثت معجزة:

يحتوي "الشقيق" الزرنيخ على 5 إلكترونات في غلافه الخارجي، مع 4 إلكترونات تشكل روابط مع ذرات السيليكون، مما يترك إلكترونًا واحدًا غير مقترن. يصبح هذا الإلكترون غير المقترن عاملًا حرًا، يتجول ويغير موصلية السيليكون بسبب شحنته.

ومن خلال توفير إلكترون إضافي لعائلة السيليكون، تُعرف ذرة الزرنيخ بأنها مانحة.

مع زيادة الإلكترونات الحرة في عائلة السيليكون، تزداد ناقلات الشحنة السالبة، مما يحول السيليكون إلى شبه موصل من النوع n.

لماذا يطلق عليه "النوع N"؟ في اللغة الإنجليزية، "السلبية" تمثل السلبية. أخذ الحرف الأول من هذه الكلمة يعطينا N.

وبالمثل، يعتقد الفيزيائي أنه إذا كان بإمكاننا إدخال ذرات الزرنيخ بإلكترونات إضافية، فهل يمكننا أيضًا دعوة ذرات البورون التي تحتوي على عدد أقل من الإلكترونات إلى المجموعة؟ لذلك قرر الفيزيائي إدخال ذرات البورون في المزيج ليرى ما سيحدث.

نظرًا لأن ذرة البورون تحتوي على 3 إلكترونات فقط في غلافها الخارجي، أي أقل بإلكترون واحد من السيليكون، فإن كل رابطة تساهمية كانت تحتوي في الأصل على زوجين من الإلكترونات تتكون الآن من زوج واحد فقط، تاركة وراءها فجوة - ثقب موجب الشحنة.

عند هذه النقطة، يُعرف أشباه الموصلات القائمة على السيليكون باسم أشباه الموصلات من النوع p. وبالمثل، يأتي الحرف "P" من الحرف الأول من الكلمة الإنجليزية "Positive"، ويشار إلى ذرة البورون على أنها متقبل.

إن إدخال ذرات مختلفة في السيليكون البلوري الأحادي هو الذي يؤدي إلى تكوين أشباه الموصلات من النوع N والنوع P.

عندما يكون لدينا سيليكون بلوري واحد ويمكننا إيجاد طريقة لأكسدة سطحه إلى ثاني أكسيد السيليكون، يمكن أن يعمل ثاني أكسيد السيليكون كعازل للعديد من هياكل الأجهزة أو يعمل كطبقة حاجزة أثناء عمليات تصنيع الجهاز مثل الانتشار أو زرع الأيونات.

في عملية تصنيع الوصلة pn، يمكن استخدام طبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون لتحديد منطقة الوصلة.

ألقِ نظرة على هذا الرسم التخطيطي: (أ) يُظهر رقاقة سيليكون غير مغطاة، جاهزة لخطوة الأكسدة، بينما (ب) يُظهر فقط الطبقة العليا من الرقاقة المؤكسدة.

ومن خلال المعرفة النظرية لأشباه الموصلات من النوع P والنوع N، يمكننا أن نأخذ الأمور خطوة إلى الأمام ونعدل سطح ثاني أكسيد السيليكون لإنشاء الأنماط المرغوبة، مثل رسم قطة أو زهرة.

تسمى طريقة تعديل سطح الرقاقة بالليثوغرافيا الضوئية!

لكن ألا تتطلب الطباعة الحجرية الضوئية معدات متقدمة؟ سمعت أن هذه الآلات مثيرة للإعجاب حقًا... دعونا أولاً نفهم مبدأ الطباعة الحجرية الضوئية:

باستخدام طبقة دوران عالية السرعة، يتم نسج طبقة من مادة حساسة للضوء فوق البنفسجية تسمى مقاومة الضوء على سطح الشريحة. بعد إزالة الرقاقة من القرص الدوار، يتم خبزها في درجة حرارة تتراوح بين 80 درجة مئوية و100 درجة مئوية لطرد المذيب الموجود في مقاوم الضوء وتصلبه، مما يعزز التصاقه بالرقاقة.

بعد ذلك، يتم استخدام مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية لكشف الشريحة من خلال قناع منقوش. بعد ذلك، يتم استخدام حمض الهيدروفلوريك المخزن كحمض منمش لإزالة سطح ثاني أكسيد السيليكون غير المحمي. وأخيرًا، يتم تجريد مقاوم الضوء باستخدام مذيب كيميائي أو نظام رش البلازما.

ألقِ نظرة على الرسم التخطيطي: يظهر (أ) فقط.

هذه العملية تشبه إلى حد ما صنع الختم. أولاً، يتم رسم نموذج على حجر بالصبغة، ثم يتم نحته حسب أبعاد النموذج. إنه في الأساس نفس المبدأ.

تمامًا كما يمكن أن تحتوي الأختام على تصميمات مرتفعة أو غائرة، يمكن أيضًا معالجة الرقاقات بالمثل. اعتمادًا على اختيار مقاوم الضوء، سواء كان إيجابيًا أو سلبيًا، يمكن للمرء تحقيق أنماط مرتفعة (إيجابية) وغائرة (سلبية). يشار إلى مقاومات الضوء المستخدمة بالمقاومة الإيجابية والمقاومة السلبية.

بعد الطباعة الحجرية الضوئية، يتعرض سطح السيليكون للبيئة الخارجية. ثم يقوم الفيزيائيون بإدخال عناصر أخرى إلى سطح السيليكون هذا من خلال عملية تعرف باسم زرع الأيونات.

عندما يتم زرع أيونات البورون (B) أو الزرنيخ (As)، فإنها تغير الخصائص التقليدية للسيليكون، وتغير خصائصه الكهروكيميائية. في هذه المرحلة، يُطلق على أشباه الموصلات اسم شبه موصل خارجي.

يُطلق على الوصلة التي تتكون من الاتصال بين أشباه الموصلات من النوع P والنوع N اسم الوصلة pn!

بعد اكتمال عملية التطعيم، يتم بذل الجهود لاستخراج أداء أشباه الموصلات هذه. يتضمن ذلك معدنة سطح أشباه الموصلات، مع استكمال الخطوات بما في ذلك الاتصال الأومي والتوصيل البيني في عملية المعدنة اللاحقة. يمكن تشكيل الأغشية المعدنية الرقيقة باستخدام ترسيب البخار الفيزيائي (PVD) أو ترسيب البخار الكيميائي (CVD).

مع الانتهاء من المعدنة، يمكن الآن أن يعمل الوصل pn!

هذا كل ما يتعلق بالمعرفة الأساسية لأشباه الموصلات!

حصلت شركة Slkor Micro Semiconductor على براءة اختراع جديدة لنموذج منفعة لجهاز تسخين الثايرستور

لتالي

تقدم شركة Slkor عشرين طرازًا شائعًا مجانًا – تغتنم الفرصة للاستبدال المحلي