הכל על מוליך למחצה

עמוד הבית חדשות יסודות אלקטרוניקה הכל על מוליך למחצה

הכל על מוליך למחצה

2024-03-20 2515

מוליכים למחצה היו ענף מפתח בפיתוח לאומי בשנים האחרונות. כך מה זה בעצם מוליכים למחצה?

בחיי היומיום, ניתן לסווג באופן גס את כל העצמים לפי המוליכות החשמלית שלהם לשלוש קטגוריות: מוליכים, מוליכים למחצה ומבודדים.

זה קל להבנה; עצמים מוליכים חשמל, אינם מוליכים חשמל או מוליכים מעט. בדיוק החומרים הללו הם מעורפלים ומפגינים מוליכות חלקית, המספקים לפיזיקאים הזדמנויות שונות לחקר.

חומרים שהם מוליכים או לא מוליכים גרידא אינם בעלי משמעות רבה; החומרים שהמוליכות שלהם משתנה בתנאים שונים הם המעניינים.

בואו נסתכל על המוליכות החשמלית של חומרים באמצעות דיאגרמה להבנה אינטואיטיבית יותר.

לפי המוליכות החשמלית שלהם:

מבודדים: בעלי מוליכות חשמלית נמוכה, הנעה בקירוב בין 20^-18S/cm ל-10^-8S/cm, כגון קוורץ מותך וזכוכית.

מוליכים: עם מוליכות חשמלית גבוהה יותר, הנעה בין 10^4S/cm ל-10^6S/cm, כגון מתכות כמו אלומיניום וכסף.

מוליכים למחצה: עם מוליכות חשמלית בין זו של מבודדים ומוליכים.

מוליכים למחצה יסודיים נפוצים המצויים בטבע כוללים סיליקון וגרמניום. אומרים שמוליכים למחצה מבוססי גרמניום התגלו והשתמשו בהם אפילו מוקדם יותר מאלה המבוססים על סיליקון, אבל היתרון הטבעי של הסיליקון הוא סבירותו. חול נפוץ בטבע מכיל כמות גדולה של סיליקון, אתה יודע!

למרות שיש הרבה חול סיליקה בטבע, הוא מכיל יותר מדי זיהומים ופגמים, ולכן לא ניתן להשתמש בו ישירות ויש לשכלל אותו.

איך נחדד את זה? במילה אחת - לשרוף!

בדיוק כמו שלמדנו בחטיבת הביניים כימיה, אנחנו מבצעים תגובות חמצון-הפחתת.

SiC + SiO2 → Si (מוצק) + SiO2 (גז) + CO (גז)
Si (מוצק) + 3HC → SiHCl3 (גז) + H2 (גז)
SiHCl3 (גז) + H2 (גז) → Si (מוצק) + 3HCl (גז)

לאחר שלוש תגובות כימיות בטמפרטורה גבוהה, אנו מקבלים סיליקון מוצק, אך בשלב זה, הסיליקון הוא רב גבישי.

מהו סיליקון רב גבישי?

בדיוק כמו כשאנחנו מקלפים תפוז, בפנים יש הרבה מקטעים (מקטעים רב גבישיים), ולכל פלח טעם שונה (כיוון גביש). אנחנו צריכים לבחור את הפלח הכי טעים ולתת לו לגדול בעצמו!

איך לגרום לקריסטל יחיד קטן לגדול בנפרד?

פיזיקאים אכן חכמים, ממציאים שיטה לגידול גבישים בודדים הנקראת שיטת צ'וקרלסקי, אולי על שם המדען שפיתח אותה.

יש גם מונח תעשייתי אינטואיטיבי לתהליך זה, המכונה שיטת ברידג'מן!

כי כשמגדלים גבישים בודדים, זה כמו למשוך את הגבישים הקטנים כלפי מעלה! מהירות המשיכה מעט איטית. תסתכל על המכשיר הזה:

המוט הגלילי הכחול בתמונה הוא סיליקון קריסטל יחיד. בתהליך המשיכה הוא מסתובב תוך כדי משיכה כלפי מעלה, וכתוצאה מכך מטיל גלילי שגדל בשיטת ברידג'מן.

לאחר מכן חותכים את המטיל הגדל לחתיכות בצורת דיסק באמצעות להבים מכניים, ויוצרים את מה שאנו קוראים לו ופלים.

התהליך הזה נשמע לכם מוכר?

כך מייצרים ופלים.

למרות שיש לנו כעת את הפרוסים, בשלב זה, התכונות האלקטרוכימיות של סיליקון גבישי יחיד אינן מספיקות לשימוש ישיר בייצור שבבים. לאחר מכן מהנדסים עובדים על שינוי התכונות האלקטרוכימיות של סיליקון גביש יחיד.

איך הם משנים סיליקון קריסטל יחיד?

ראשית, בואו נעמיק בהבנה מסוימת של אלמנט הסיליקון. בטבלה המחזורית, הסיליקון ממוקם במקום ה-14. לאטום סיליקון יש ארבעה אלקטרונים בקליפה החיצונית שלו, אותם הוא חולק עם ארבעה אטומים שכנים, ויוצרים ארבעה זוגות של אלקטרונים משותפים. מבנה זה של זוגות אלקטרונים משותפים ידוע כקשר קוולנטי. כל זוג אלקטרונים יוצר קשר קוולנטי.

אולי למדת על החלק הזה בכימיה בחטיבת הביניים. בואו נסתכל על תמונה להבנה ויזואלית יותר:

התמונה השמאלית מציגה את מבנה הגביש של סיליקון קריסטל יחיד, הדומה למבנה של גביש יהלום. בצד ימין, יש לנו תיאור של אטומי סיליקון חולקים אלקטרונים, כאשר אטום סיליקון אחד במרכז חולק אלקטרונים עם ארבעה אטומי סיליקון "אחיים".

יום אחד, לפיזיקאי עלה רעיון פתאומי: מה אם הסיליקון לא היה חולק אלקטרונים עם האטומים ה"אחיים" שלו ומזמין "אחים" אחרים לקבוצה?

יום אחד, הפיזיקאי הזמין ארסן להצטרף לקבוצה, ואז קרה נס:

ל"אח" הארסן יש 5 אלקטרונים בקליפה החיצונית שלו, כאשר 4 אלקטרונים יוצרים קשרים עם אטומי סיליקון, ומשאירים אלקטרון אחד בלתי מזווג. האלקטרון הבלתי מזווג הזה הופך לסוכן חופשי, מסתובב ומשנה את המוליכות של הסיליקון עקב מטען שלו.

על ידי מתן אלקטרון נוסף למשפחת הסיליקון, אטום הארסן ידוע בתור תורם.

עם הגידול באלקטרונים החופשיים במשפחת הסיליקון, הנשאים הטעונים שלילי גדלים, והופכים את הסיליקון למוליך למחצה מסוג n.

למה זה נקרא "סוג N"? באנגלית, "Negative" מייצג שלילי. נטילת האות הראשונה של המילה הזו נותן לנו N.

באופן דומה, חשב הפיזיקאי, אם נוכל להכניס אטומי ארסן עם אלקטרונים נוספים, האם נוכל להזמין לקבוצה גם אטומי בורון עם פחות אלקטרונים? אז הפיזיקאי החליט להביא אטומי בורון לתערובת כדי לראות מה קורה.

בגלל שלאטום הבור יש רק 3 אלקטרונים בקליפה החיצונית שלו, אחד פחות מסיליקון, כל קשר קוולנטי שהיה לו במקור 2 זוגות אלקטרונים מורכב כעת מזוג אחד בלבד, ומשאיר אחריו פער - חור טעון חיובי.

בשלב זה, המוליך למחצה מבוסס סיליקון ידוע בתור מוליך למחצה מסוג p. באופן דומה, "P" מגיע מהאות הראשונה של המילה האנגלית "חיובי", ואטום הבור מכונה מקבל.

החדרת אטומים שונים לסיליקון הגבישי החד גורמת להיווצרות מוליכים למחצה מסוג N וסוג P.

כאשר יש לנו סיליקון גביש יחיד ויכולים למצוא דרך לחמצן את פני השטח שלו לסיליקון דו חמצני, הסיליקון דו חמצני יכול לשמש כמבודד למבני מכשירים רבים או לשמש כשכבת מחסום במהלך תהליכי ייצור המכשיר כגון דיפוזיה או השתלת יונים.

בתהליך הייצור של צומת pn, ניתן להשתמש בשכבה דקה של סיליקון דו חמצני כדי להגדיר את אזור הצומת.

התבונן בתרשים סכמטי זה: (א) מציג פרוסת סיליקון לא מכוסה, מוכן לשלב החמצון, בעוד (ב) מתאר רק את השכבה העליונה של הפרוסה המחומצת.

עם הידע התיאורטי של מוליכים למחצה מסוג P וסוג N, נוכל לקחת דברים צעד קדימה ולשנות את פני השטח של דו תחמוצת הסיליקון כדי ליצור דפוסים רצויים, כגון ציור של חתול או פרח.

השיטה לשינוי משטח הפרוסים נקראת פוטוליטוגרפיה!

אבל האם פוטוליתוגרפיה לא דורשת ציוד מתקדם? שמעתי שהמכונות האלה ממש מרשימות... בואו נבין קודם את העיקרון של פוטוליטוגרפיה:

באמצעות ציפוי ספין במהירות גבוהה, שכבה של חומר רגיש לאור אולטרה סגול (UV) הנקרא photoresist מסובבת על פני השבב. לאחר הוצאת השבב מהספינר, הוא נאפה בטמפרטורה שבין 80 מעלות צלזיוס ל-100 מעלות צלזיוס כדי לגרש את הממס בפוטו-רזיסט ולהקשיח אותו, ולשפר את הידבקותו לשבב.

לאחר מכן, נעשה שימוש במקור אור UV כדי לחשוף את השבב דרך מסכה מעוצבת. לאחר מכן, חומצה הידרופלואורית מבוקרת משמשת כחומר תחריט חומצי להסרת משטח דו תחמוצת הסיליקון הבלתי מוגן. לבסוף, הפוטו-רזיסט מופשט באמצעות ממס כימי או מערכת האפר פלזמה.

תסתכל על הדיאגרמה הסכמטית: רק (א) מוצג.

התהליך דומה במקצת ליצירת חותם. תחילה צובעים דגם על אבן עם פיגמנט, לאחר מכן מגולפים אותו לפי מידות הדגם. זה בעצם אותו עיקרון.

בדיוק כמו לאטמים יכולים להיות עיצובים מוגבהים או שקועים, גם פרוסים יכולים להיות מטופלים באופן דומה. בהתאם לבחירת הפוטו-רזיסט, חיובי או שלילי, ניתן להשיג דפוסים מוגבהים (חיוביים) ושקועים (שליליים). הפוטו-רזיסטים שבהם נעשה שימוש מכונים התנגדות חיובית והתנגדות שלילית.

לאחר פוטוליטוגרפיה, משטח הסיליקון נחשף לסביבה החיצונית. לאחר מכן, הפיזיקאים מכניסים אלמנטים אחרים למשטח הסיליקון הזה באמצעות תהליך המכונה השתלת יונים.

כאשר מושתלים יוני בורון (B) או ארסן (As), הם משנים את התכונות המסורתיות של הסיליקון, ומשנים את המאפיינים האלקטרוכימיים שלו. בשלב זה, המוליך למחצה מכונה מוליך למחצה חיצוני.

הצומת שנוצר מהמגע בין מוליכים למחצה מסוג P וסוג N נקרא צומת pn!

לאחר השלמת הסימום, נעשים מאמצים לחלץ את הביצועים של המוליך למחצה זה. זה כולל מתכת משטח המוליכים למחצה, כאשר השלבים כוללים מגע אוהם וחיבור גומלין הושלמו בתהליך המתכת שלאחר מכן. ניתן ליצור סרטי מתכת דקים באמצעות שקיעת אדים פיזית (PVD) או שקיעה כימית (CVD).

עם השלמת המתכת, צומת pn יכול כעת לתפקד!

זה הכל בשביל הידע הבסיסי מוליכים למחצה!

Slkor Micro Semiconductor קיבלה פטנט חדש על מודל שימושי עבור התקן חימום תיריסטורים.

הַבָּא

מציעה 20 דגמים פופולריים בחינם – Slkor מנצלת את הרגע להחלפה ביתית