Alles rund um einen Halbleiter

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2024-03-20 2515

Halbleiter waren in den letzten Jahren eine Schlüsselindustrie der nationalen Entwicklung. Also Was genau sind Halbleiter?

Im täglichen Leben lassen sich alle Gegenstände anhand ihrer elektrischen Leitfähigkeit grob in drei Kategorien einteilen: Leiter, Halbleiter und Isolatoren.

Das ist leicht zu verstehen; Objekte leiten entweder Strom, leiten keinen Strom oder leiten nur wenig. Gerade diese Materialien, die nicht eindeutig sind und eine teilweise Leitfähigkeit aufweisen, bieten den Physikern unterschiedliche Möglichkeiten zur Erforschung.

Materialien, die rein leitend oder nicht leitend sind, sind nicht sehr aussagekräftig; Interessant sind die Stoffe, deren Leitfähigkeit sich unter verschiedenen Bedingungen ändert.

Für ein intuitiveres Verständnis werfen wir einen Blick auf die elektrische Leitfähigkeit von Materialien anhand eines Diagramms.

Nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit:

Isolatoren: mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit, etwa im Bereich von 20^-18S/cm bis 10^-8S/cm, wie geschmolzener Quarz und Glas.

Leiter: mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 10^4S/cm bis 10^6S/cm, wie zum Beispiel Metalle wie Aluminium und Silber.

Halbleiter: mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die zwischen der von Isolatoren und Leitern liegt.

Zu den in der Natur häufig vorkommenden elementaren Halbleitern gehören Silizium und Germanium. Man sagt, dass Halbleiter auf Germaniumbasis noch früher entdeckt und verwendet wurden als solche auf Siliziumbasis, aber der natürliche Vorteil von Silizium ist seine Erschwinglichkeit. Weißt du, gewöhnlicher Sand enthält in der Natur eine große Menge Silizium!

Obwohl es in der Natur viel Quarzsand gibt, enthält er zu viele Verunreinigungen und Mängel, sodass er nicht direkt verwendet werden kann und raffiniert werden muss.

Wie verfeinern wir es? Mit einem Wort: brennen!

Genau wie wir in der Mittelschule Chemie gelernt haben, führen wir Oxidations-Reduktions-Reaktionen durch.

SiC + SiO2 → Si (fest) + SiO2 (gasförmig) + CO (gasförmig)
Si (fest) + 3HC → SiHCl3 (gasförmig) + H2 (gasförmig)
SiHCl3 (gasförmig) + H2 (gasförmig) → Si (fest) + 3HCl (gasförmig)

Nach drei chemischen Hochtemperaturreaktionen erhalten wir festes Silizium, aber zu diesem Zeitpunkt ist das Silizium polykristallin.

Was ist polykristallines Silizium?

Genauso wie wenn wir eine Orange schälen, gibt es im Inneren viele Segmente (polykristalline Segmente) und jedes Segment schmeckt anders (Kristallorientierung). Wir müssen das am besten schmeckende Segment auswählen und es von selbst wachsen lassen!

Wie lässt man einen kleinen Einkristall einzeln wachsen?

Physiker sind in der Tat schlau und erfinden eine Methode zur Züchtung von Einkristallen namens Czochralski-Methode, möglicherweise benannt nach dem Wissenschaftler, der sie entwickelt hat.

Für diesen Prozess gibt es in der Branche auch einen intuitiven Begriff: die Bridgman-Methode!

Denn beim Züchten von Einkristallen ist es, als würde man die kleinen Kristalle nach oben ziehen! Die Zuggeschwindigkeit ist etwas langsam. Schauen Sie sich dieses Gerät an:

Der blaue zylindrische Stab im Bild ist ein Silizium-Einkristall. Während des Ziehvorgangs dreht es sich, während es nach oben gezogen wird, wodurch ein zylindrischer Barren entsteht, der nach der Bridgman-Methode gezüchtet wird.

Der gewachsene Barren wird dann mit mechanischen Klingen in scheibenförmige Stücke geschnitten, wodurch sogenannte Wafer entstehen.

Kommt Ihnen dieser Vorgang bekannt vor?

So werden Waffeln hergestellt.

Obwohl wir jetzt über die Wafer verfügen, reichen die elektrochemischen Eigenschaften von einkristallinem Silizium zum jetzigen Zeitpunkt nicht aus, um direkt zur Herstellung von Chips verwendet zu werden. Anschließend arbeiten Ingenieure daran, die elektrochemischen Eigenschaften von einkristallinem Silizium zu verändern.

Wie modifizieren sie einkristallines Silizium?

Lassen Sie uns zunächst etwas über das Element Silizium erfahren. Im Periodensystem steht Silizium an 14. Stelle. Ein Siliziumatom hat vier Elektronen in seiner äußeren Hülle, die es mit vier benachbarten Atomen teilt und so vier Paare gemeinsamer Elektronen bildet. Diese Struktur gemeinsamer Elektronenpaare wird als kovalente Bindung bezeichnet. Jedes Elektronenpaar bildet eine kovalente Bindung.

Möglicherweise haben Sie diesen Teil in der Chemie der Mittelschule kennengelernt. Schauen wir uns zum besseren visuellen Verständnis ein Bild an:

Das linke Bild zeigt die Kristallstruktur von einkristallinem Silizium, die der Struktur eines Diamantkristalls ähnelt. Auf der rechten Seite sehen wir eine Darstellung von Siliziumatomen, die Elektronen teilen, wobei ein Siliziumatom in der Mitte Elektronen mit vier „Geschwister“-Siliziumatomen teilt.

Eines Tages hatte ein Physiker eine plötzliche Idee: Was wäre, wenn Silizium keine Elektronen mit seinen „Geschwister“-Atomen teilen und andere „Geschwister“ in die Gruppe einladen würde?

Eines Tages lud der Physiker Arsen ein, sich der Gruppe anzuschließen, und dann geschah ein Wunder:

Der Arsen-„Geschwister“ hat 5 Elektronen in seiner Außenhülle, wobei 4 Elektronen Bindungen mit Siliziumatomen eingehen, sodass ein Elektron ungepaart bleibt. Dieses ungepaarte Elektron wird zu einem freien Element, das umherwandert und aufgrund seiner Ladung die Leitfähigkeit von Silizium verändert.

Durch die Bereitstellung eines zusätzlichen Elektrons für die Siliziumfamilie wird das Arsenatom als Donor bezeichnet.

Mit der Zunahme der freien Elektronen in der Siliziumfamilie nehmen die negativ geladenen Träger zu, wodurch Silizium in einen Halbleiter vom n-Typ umgewandelt wird.

Warum heißt es „N-Typ“? Im Englischen steht „Negative“ für negativ. Wenn wir den ersten Buchstaben dieses Wortes nehmen, erhalten wir N.

Ähnlich dachte der Physiker: Wenn wir Arsenatome mit zusätzlichen Elektronen einführen können, können wir dann auch Boratome mit weniger Elektronen in die Gruppe einladen? Deshalb beschloss der Physiker, Boratome in die Mischung einzubringen, um zu sehen, was passiert.

Da das Boratom nur drei Elektronen in seiner Außenhülle hat, eins weniger als Silizium, besteht jede kovalente Bindung, die ursprünglich zwei Elektronenpaare hatte, jetzt nur noch aus einem Paar, wodurch eine Lücke zurückbleibt – ein positiv geladenes Loch.

Zu diesem Zeitpunkt wird der Halbleiter auf Siliziumbasis als Halbleiter vom p-Typ bezeichnet. Ebenso stammt „P“ vom ersten Buchstaben des englischen Wortes „Positive“ und das Boratom wird als Akzeptor bezeichnet.

Es ist die Einführung verschiedener Atome in das einkristalline Silizium, die zur Bildung von N-Typ- und P-Typ-Halbleitern führt.

Wenn wir einkristallines Silizium haben und einen Weg finden, seine Oberfläche zu Siliziumdioxid zu oxidieren, kann das Siliziumdioxid als Isolator für viele Gerätestrukturen dienen oder als Barriereschicht bei Herstellungsprozessen von Geräten wie Diffusion oder Ionenimplantation fungieren.

Beim Herstellungsprozess eines pn-Übergangs kann eine dünne Schicht Siliziumdioxid verwendet werden, um den Bereich des Übergangs zu definieren.

Schauen Sie sich dieses schematische Diagramm an: (a) zeigt einen unbedeckten Siliziumwafer, der für den Oxidationsschritt bereit ist, während (b) nur die oberste Schicht des oxidierten Wafers zeigt.

Mit dem theoretischen Wissen über P-Typ- und N-Typ-Halbleiter können wir noch einen Schritt weiter gehen und die Oberfläche von Siliziumdioxid modifizieren, um gewünschte Muster zu erzeugen, beispielsweise das Zeichnen einer Katze oder einer Blume.

Die Methode zur Modifizierung der Waferoberfläche nennt sich Photolithographie!

Aber erfordert die Fotolithographie nicht eine fortschrittliche Ausrüstung? Ich habe gehört, dass diese Maschinen wirklich beeindruckend sind ... Lassen Sie uns zunächst das Prinzip der Fotolithografie verstehen:

Mit einem Hochgeschwindigkeits-Schleuderbeschichter wird eine Schicht aus ultraviolett (UV) lichtempfindlichem Material namens Fotolack auf die Oberfläche des Chips geschleudert. Nachdem der Chip aus dem Spinner entfernt wurde, wird er bei einer Temperatur zwischen 80 °C und 100 °C gebrannt, um das Lösungsmittel im Fotolack auszutreiben und ihn zu härten, wodurch seine Haftung am Chip verbessert wird.

Als nächstes wird eine UV-Lichtquelle verwendet, um den Chip durch eine strukturierte Maske zu belichten. Anschließend wird gepufferte Flusssäure als Säureätzmittel verwendet, um die ungeschützte Siliziumdioxidoberfläche zu entfernen. Abschließend wird der Fotolack mit einem chemischen Lösungsmittel oder einem Plasmaveraschungssystem entfernt.

Schauen Sie sich das schematische Diagramm an: Es ist nur (a) dargestellt.

Der Vorgang ähnelt in gewisser Weise der Herstellung eines Siegels. Zuerst wird ein Modell mit Pigment auf einen Stein gemalt, dann wird es entsprechend den Abmessungen des Modells geschnitzt. Es ist im Wesentlichen das gleiche Prinzip.

So wie Dichtungen erhaben oder vertieft gestaltet sein können, können auch Wafer ähnlich behandelt werden. Abhängig von der Wahl des Fotolacks, entweder positiv oder negativ, können erhabene (positive) und vertiefte (negative) Muster erzielt werden. Die verwendeten Fotolacke werden als Positivresist und Negativresist bezeichnet.

Nach der Fotolithografie wird die Siliziumoberfläche der Außenumgebung ausgesetzt. Anschließend bringen Physiker durch einen Prozess, der als Ionenimplantation bekannt ist, andere Elemente in diese Siliziumoberfläche ein.

Wenn Bor- (B) oder Arsen- (As) Ionen implantiert werden, verändern sie die traditionellen Eigenschaften von Silizium und verändern seine elektrochemischen Eigenschaften. Zu diesem Zeitpunkt wird der Halbleiter als extrinsischer Halbleiter bezeichnet.

Der durch den Kontakt zwischen P-Typ- und N-Typ-Halbleitern gebildete Übergang wird pn-Übergang genannt!

Nachdem die Dotierung abgeschlossen ist, werden Anstrengungen unternommen, die Leistungsfähigkeit dieses Halbleiters zu steigern. Dabei wird die Halbleiteroberfläche metallisiert, wobei im anschließenden Metallisierungsprozess die Schritte einschließlich des ohmschen Kontakts und der Verbindung abgeschlossen werden. Dünne Metallfilme können durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gebildet werden.

Nach Abschluss der Metallisierung kann der pn-Übergang nun funktionieren!

Das ist alles für das grundlegende Halbleiterwissen!

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