Tutto sui semiconduttori

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2024-03-20 2515

I semiconduttori hanno rappresentato negli ultimi anni un settore chiave per lo sviluppo nazionale. COSÌ cosa sono esattamente i semiconduttori?

Nella vita quotidiana, tutti gli oggetti possono essere approssimativamente classificati in base alla loro conduttività elettrica in tre categorie: conduttori, semiconduttori e isolanti.

Questo è facile da capire; gli oggetti conducono elettricità, non conducono elettricità o conducono poco. Sono proprio questi materiali che sono ambigui e mostrano una conduttività parziale che offrono ai fisici diverse opportunità di esplorazione.

I materiali puramente conduttivi o non conduttivi non sono molto significativi; sono interessanti le sostanze la cui conduttività cambia in condizioni diverse.

Diamo uno sguardo alla conducibilità elettrica dei materiali attraverso un diagramma per una comprensione più intuitiva.

In base alla loro conduttività elettrica:

Isolanti: con bassa conducibilità elettrica, indicativamente compresa tra 20^-18S/cm e 10^-8S/cm, come quarzo fuso e vetro.

Conduttori: con conduttività elettrica più elevata, compresa tra 10^4S/cm e 10^6S/cm, come i metalli come alluminio e argento.

Semiconduttori: con conducibilità elettrica compresa tra quella degli isolanti e dei conduttori.

I semiconduttori elementari comuni presenti in natura includono silicio e germanio. Si dice che i semiconduttori a base di germanio siano stati scoperti e utilizzati ancor prima di quelli a base di silicio, ma il vantaggio naturale del silicio è la sua convenienza. La comune sabbia in natura contiene una grande quantità di silicio, lo sai!

Anche se in natura è presente molta sabbia silicea, contiene troppe impurità e difetti, quindi non può essere utilizzata direttamente e deve essere raffinata.

Come lo perfezioniamo? In una parola: brucia!

Proprio come abbiamo imparato alla chimica delle scuole medie, eseguiamo reazioni di ossido-riduzione.

SiC + SiO2 → Si (solido) + SiO2 (gas) + CO (gas)
Si (solido) + 3HC → SiHCl3 (gas) + H2 (gas)
SiHCl3 (gas) + H2 (gas) → Si (solido) + 3HCl (gas)

Dopo tre reazioni chimiche ad alta temperatura, otteniamo silicio solido, ma a questo punto il silicio è policristallino.

Cos'è il silicio policristallino?

Proprio come quando sbucciamo un'arancia, al suo interno ci sono tanti spicchi (segmenti policristallini), e ogni spicchio ha un sapore diverso (orientamento dei cristalli). Dobbiamo selezionare il segmento più gustoso e lasciarlo crescere da solo!

Come far crescere individualmente un piccolo cristallo singolo?

I fisici sono davvero intelligenti, inventando un metodo per coltivare singoli cristalli chiamato metodo Czochralski, forse dal nome dello scienziato che lo ha sviluppato.

Esiste anche un termine industriale intuitivo per questo processo, noto come metodo Bridgman!

Perché quando si coltivano i cristalli singoli è come tirare i cristalli piccoli verso l'alto! La velocità di trazione è un po' lenta. Dai un'occhiata a questo dispositivo:

L'asta cilindrica blu nell'immagine è un silicio monocristallino. Durante il processo di estrazione, ruota mentre viene tirato verso l'alto, dando come risultato un lingotto cilindrico cresciuto con il metodo Bridgman.

Il lingotto cresciuto viene poi tagliato in pezzi a forma di disco mediante lame meccaniche, formando ciò che chiamiamo wafer.

Questo processo ti suona familiare?

Ecco come vengono prodotti i wafer.

Sebbene ora disponiamo dei wafer, in questa fase le proprietà elettrochimiche del silicio monocristallino non sono sufficienti per l’uso diretto nella produzione di chip. Gli ingegneri lavorano quindi sulla modifica delle proprietà elettrochimiche del silicio monocristallino.

Come modificano il silicio monocristallino?

Innanzitutto, approfondiamo la comprensione dell'elemento silicio. Nella tavola periodica il silicio è posizionato al 14° posto. Un atomo di silicio ha quattro elettroni nel suo guscio esterno, che condivide con quattro atomi vicini, formando quattro coppie di elettroni condivisi. Questa struttura di coppie di elettroni condivise è nota come legame covalente. Ogni coppia di elettroni forma un legame covalente.

Potresti aver imparato questa parte durante la chimica delle scuole medie. Diamo un'occhiata a un'immagine per una comprensione più visiva:

L'immagine a sinistra mostra la struttura cristallina del silicio monocristallino, che ricorda la struttura di un cristallo di diamante. A destra, abbiamo una rappresentazione di atomi di silicio che condividono elettroni, con un atomo di silicio al centro che condivide elettroni con quattro atomi di silicio "fratelli".

Un giorno, un fisico ebbe un'idea improvvisa: e se il silicio non condividesse gli elettroni con i suoi atomi "fratelli" e invitasse altri "fratelli" nel gruppo?

Un giorno, il fisico invitò l'arsenico a unirsi al gruppo, e poi accadde un miracolo:

Il "fratello" dell'arsenico ha 5 elettroni nel suo guscio esterno, con 4 elettroni che formano legami con gli atomi di silicio, lasciando un elettrone spaiato. Questo elettrone spaiato diventa un agente libero, vagando e alterando la conduttività del silicio a causa della sua carica.

Fornendo un elettrone in più alla famiglia del silicio, l'atomo di arsenico è noto come donatore.

Con l'aumento degli elettroni liberi nella famiglia del silicio, aumentano i portatori carichi negativamente, trasformando il silicio in un semiconduttore di tipo n.

Perché si chiama "tipo N"? In inglese, "Negative" rappresenta negativo. Prendendo la prima lettera di questa parola otteniamo N.

Allo stesso modo, pensò il fisico, se possiamo introdurre atomi di arsenico con elettroni extra, possiamo anche invitare atomi di boro con meno elettroni nel gruppo? Quindi il fisico ha deciso di introdurre atomi di boro nella miscela per vedere cosa succede.

Dato che l’atomo di boro ha solo 3 elettroni nel suo guscio esterno, uno in meno del silicio, ogni legame covalente che originariamente aveva 2 coppie di elettroni ora consiste di una sola coppia, lasciando dietro di sé uno spazio vuoto: un buco carico positivamente.

A questo punto, il semiconduttore a base di silicio è noto come semiconduttore di tipo p. Allo stesso modo, "P" deriva dalla prima lettera della parola inglese "Positivo" e l'atomo di boro viene definito accettore.

È l'introduzione di atomi diversi nel silicio monocristallino che porta alla formazione di semiconduttori di tipo N e di tipo P.

Quando disponiamo di silicio monocristallino e riusciamo a trovare un modo per ossidare la sua superficie in biossido di silicio, il biossido di silicio può fungere da isolante per molte strutture di dispositivi o agire come strato barriera durante i processi di fabbricazione dei dispositivi come la diffusione o l'impianto ionico.

Nel processo di fabbricazione di una giunzione pn, è possibile utilizzare un sottile strato di biossido di silicio per definire la regione della giunzione.

Dai un'occhiata a questo diagramma schematico: (a) mostra un wafer di silicio scoperto, pronto per la fase di ossidazione, mentre (b) raffigura solo lo strato superiore del wafer ossidato.

Con la conoscenza teorica dei semiconduttori di tipo P e di tipo N, possiamo fare un ulteriore passo avanti e modificare la superficie del biossido di silicio per creare modelli desiderati, come disegnare un gatto o un fiore.

Il metodo per modificare la superficie del wafer si chiama fotolitografia!

Ma la fotolitografia non richiede attrezzature avanzate? Ho sentito che queste macchine sono davvero impressionanti... Comprendiamo prima il principio della fotolitografia:

Utilizzando uno spin coater ad alta velocità, uno strato di materiale sensibile alla luce ultravioletta (UV) chiamato fotoresist viene filato sulla superficie del chip. Dopo aver rimosso il chip dallo spinner, questo viene cotto a una temperatura compresa tra 80°C e 100°C per allontanare il solvente presente nel fotoresist e indurirlo, migliorandone l'adesione al chip.

Successivamente, viene utilizzata una sorgente di luce UV per esporre il chip attraverso una maschera modellata. Quindi, l'acido fluoridrico tamponato viene utilizzato come mordenzante acido per rimuovere la superficie non protetta del biossido di silicio. Infine, il fotoresist viene rimosso utilizzando un solvente chimico o un sistema di incenerimento al plasma.

Dai un'occhiata al diagramma schematico: viene mostrato solo (a).

Il processo è in qualche modo simile alla creazione di un sigillo. Innanzitutto, un modello viene dipinto su una pietra con pigmenti, quindi viene scolpito in base alle dimensioni del modello. È essenzialmente lo stesso principio.

Proprio come i sigilli possono avere un design rialzato o incassato, anche i wafer possono essere trattati in modo simile. A seconda della scelta del fotoresist, positivo o negativo, è possibile ottenere modelli in rilievo (positivo) e incassati (negativo). I fotoresist utilizzati sono indicati come resist positivo e resist negativo.

Dopo la fotolitografia, la superficie del silicio viene esposta all'ambiente esterno. I fisici poi introducono altri elementi in questa superficie di silicio attraverso un processo noto come impiantazione ionica.

Quando vengono impiantati, gli ioni boro (B) o arsenico (As) alterano le proprietà tradizionali del silicio, modificandone le caratteristiche elettrochimiche. A questo punto il semiconduttore viene definito semiconduttore estrinseco.

La giunzione formata dal contatto tra semiconduttori di tipo P e di tipo N è chiamata giunzione pn!

Una volta completato il doping, vengono compiuti sforzi per estrarre le prestazioni di questo semiconduttore. Ciò comporta la metallizzazione della superficie del semiconduttore, con fasi che includono il contatto ohmico e l'interconnessione completate nel successivo processo di metallizzazione. I film sottili metallici possono essere formati mediante deposizione fisica da fase vapore (PVD) o deposizione chimica da fase vapore (CVD).

Con il completamento della metallizzazione, la giunzione pn ora può funzionare!

Questo è tutto per le conoscenze di base sui semiconduttori!

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