Semua tentang semikonduktor

Laman Utama Berita Asas Elektronik Semua tentang semikonduktor

2024-03-20 2515

Semikonduktor telah menjadi industri utama pembangunan negara sejak beberapa tahun kebelakangan ini. Jadi apa sebenarnya semikonduktor?

Dalam kehidupan seharian, semua objek boleh dikelaskan secara kasar mengikut kekonduksian elektriknya kepada tiga kategori: konduktor, semikonduktor, dan penebat.

Ini mudah difahami; objek sama ada mengalirkan elektrik, tidak mengalirkan elektrik, atau mengalirkan sedikit. Bahan-bahan inilah yang samar-samar dan mempamerkan kekonduksian separa yang memberikan ahli fizik peluang yang berbeza untuk penerokaan.

Bahan yang konduktif semata-mata atau tidak konduktif tidak begitu bermakna; ia adalah bahan yang kekonduksian berubah dalam keadaan berbeza yang menarik.

Mari kita lihat kekonduksian elektrik bahan melalui gambar rajah untuk pemahaman yang lebih intuitif.

Mengikut kekonduksian elektrik mereka:

Penebat: dengan kekonduksian elektrik yang rendah, lebih kurang antara 20^-18S/cm hingga 10^-8S/cm, seperti kuarza cair dan kaca.

Konduktor: dengan kekonduksian elektrik yang lebih tinggi, antara 10^4S/cm hingga 10^6S/cm, seperti logam seperti aluminium dan perak.

Semikonduktor: dengan kekonduksian elektrik yang jatuh di antara penebat dan konduktor.

Semikonduktor unsur biasa yang terdapat dalam alam semula jadi termasuk silikon dan germanium. Dikatakan bahawa semikonduktor berasaskan germanium ditemui dan digunakan lebih awal daripada yang berasaskan silikon, tetapi kelebihan semula jadi silikon ialah kemampuannya. Pasir biasa di alam semula jadi mengandungi sejumlah besar silikon, anda tahu!

Walaupun terdapat banyak pasir silika secara semula jadi, ia mengandungi terlalu banyak kekotoran dan kecacatan, jadi ia tidak boleh digunakan secara langsung dan perlu diperhalusi.

Bagaimana kita memperhalusinya? Dalam satu perkataan-bakar!

Sama seperti yang kita pelajari dalam kimia sekolah menengah rendah, kita menjalankan tindak balas pengurangan pengoksidaan.

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

Selepas tiga tindak balas kimia suhu tinggi, kami memperoleh silikon pepejal, tetapi pada ketika ini, silikon adalah polihablur.

Apakah silikon polihabluran?

Sama seperti apabila kita mengupas oren, di dalamnya terdapat banyak segmen (segmen polihabluran), dan setiap segmen rasanya berbeza (orientasi kristal). Kita perlu memilih segmen dengan rasa terbaik dan biarkan ia berkembang dengan sendirinya!

Bagaimana untuk membuat kristal tunggal kecil tumbuh secara individu?

Ahli fizik sememangnya bijak, mencipta kaedah untuk mengembangkan kristal tunggal yang dipanggil kaedah Czochralski, mungkin dinamakan sempena saintis yang membangunkannya.

Terdapat juga istilah industri intuitif untuk proses ini, yang dikenali sebagai kaedah Bridgman!

Kerana apabila tumbuh kristal tunggal, ia seperti menarik kristal kecil ke atas! Kelajuan menariknya agak perlahan. Lihat peranti ini:

Batang silinder biru dalam imej adalah silikon kristal tunggal. Semasa proses penarikan, ia berputar semasa ditarik ke atas, menghasilkan jongkong silinder yang ditanam dengan kaedah Bridgman.

Jongkong yang tumbuh kemudiannya dipotong menjadi kepingan berbentuk cakera menggunakan bilah mekanikal, membentuk apa yang kita panggil wafer.

Adakah proses ini terdengar biasa kepada anda?

Begitulah cara wafer dihasilkan.

Walaupun kita kini mempunyai wafer, pada peringkat ini, sifat elektrokimia silikon kristal tunggal tidak mencukupi untuk kegunaan langsung dalam membuat cip. Jurutera kemudian berusaha untuk mengubah suai sifat elektrokimia silikon kristal tunggal.

Bagaimanakah mereka mengubah suai silikon kristal tunggal?

Mula-mula, mari kita mendalami beberapa pemahaman tentang unsur silikon. Dalam jadual berkala, silikon berada di kedudukan ke-14. Atom silikon mempunyai empat elektron dalam kulit luarnya, yang ia berkongsi dengan empat atom jiran, membentuk empat pasang elektron yang dikongsi. Struktur pasangan elektron yang dikongsi ini dikenali sebagai ikatan kovalen. Setiap pasangan elektron membentuk ikatan kovalen.

Anda mungkin telah belajar tentang bahagian ini dalam kimia sekolah menengah. Mari lihat gambar untuk pemahaman yang lebih visual:

Imej kiri menunjukkan struktur kristal silikon kristal tunggal, yang menyerupai struktur kristal berlian. Di sebelah kanan, kami mempunyai gambaran atom silikon berkongsi elektron, dengan satu atom silikon di tengah berkongsi elektron dengan empat atom silikon "adik-beradik".

Pada suatu hari, seorang ahli fizik mempunyai idea secara tiba-tiba: Bagaimana jika silikon tidak berkongsi elektron dengan atom "adik-beradik"nya dan menjemput "adik-beradik" lain ke dalam kumpulan itu?

Suatu hari, ahli fizik menjemput arsenik untuk menyertai kumpulan itu, dan kemudian keajaiban berlaku:

"Adik beradik" arsenik mempunyai 5 elektron dalam kulit luarnya, dengan 4 elektron membentuk ikatan dengan atom silikon, meninggalkan satu elektron tidak berpasangan. Elektron yang tidak berpasangan ini menjadi agen bebas, berkeliaran dan mengubah kekonduksian silikon kerana casnya.

Dengan menyediakan elektron tambahan kepada keluarga silikon, atom arsenik dikenali sebagai penderma.

Dengan peningkatan dalam elektron bebas dalam keluarga silikon, pembawa bercas negatif meningkat, mengubah silikon menjadi semikonduktor jenis-n.

Mengapa ia dipanggil "jenis-N"? Dalam bahasa Inggeris, "Negatif" mewakili negatif. Mengambil huruf pertama perkataan ini memberi kita N.

Begitu juga, ahli fizik berfikir, jika kita boleh memperkenalkan atom arsenik dengan elektron tambahan, bolehkah kita juga menjemput atom boron dengan elektron yang lebih sedikit ke dalam kumpulan? Jadi ahli fizik memutuskan untuk membawa atom boron ke dalam campuran untuk melihat apa yang berlaku.

Oleh kerana atom boron hanya mempunyai 3 elektron dalam kulit luarnya, satu kurang daripada silikon, setiap ikatan kovalen yang pada asalnya mempunyai 2 pasangan elektron kini hanya terdiri daripada satu pasangan, meninggalkan celah—lubang bercas positif.

Pada ketika ini, semikonduktor berasaskan silikon dikenali sebagai semikonduktor jenis p. Begitu juga, "P" berasal dari huruf pertama perkataan Inggeris "Positif," dan atom boron dirujuk sebagai penerima.

Ia adalah pengenalan atom yang berbeza ke dalam silikon kristal tunggal yang menghasilkan pembentukan semikonduktor jenis-N dan jenis-P.

Apabila kita mempunyai silikon kristal tunggal dan boleh mencari cara untuk mengoksidakan permukaannya menjadi silikon dioksida, silikon dioksida boleh berfungsi sebagai penebat untuk banyak struktur peranti atau bertindak sebagai lapisan penghalang semasa proses fabrikasi peranti seperti resapan atau implantasi ion.

Dalam proses pembuatan simpang pn, lapisan nipis silikon dioksida boleh digunakan untuk menentukan kawasan simpang.

Lihat gambarajah skematik ini: (a) menunjukkan wafer silikon yang tidak bertutup, sedia untuk langkah pengoksidaan, manakala (b) hanya menggambarkan lapisan atas wafer teroksida.

Dengan pengetahuan teori semikonduktor jenis-P dan jenis-N, kita boleh mengambil langkah lebih jauh dan mengubah suai permukaan silikon dioksida untuk mencipta corak yang diingini, seperti melukis kucing atau bunga.

Kaedah untuk mengubah suai permukaan wafer dipanggil fotolitografi!

Tetapi bukankah fotolitografi memerlukan peralatan canggih? Saya dengar mesin itu sangat mengagumkan... Mari kita fahami prinsip fotolitografi:

Menggunakan pelapis putaran berkelajuan tinggi, lapisan bahan sensitif cahaya ultraungu (UV) yang dipanggil photoresist dipusing ke permukaan cip. Selepas mengeluarkan cip daripada pemutar, ia dibakar pada suhu antara 80°C dan 100°C untuk menghalau pelarut dalam photoresist dan mengeraskannya, meningkatkan lekatannya pada cip.

Seterusnya, sumber cahaya UV digunakan untuk mendedahkan cip melalui topeng bercorak. Kemudian, asid hidrofluorik penimbal digunakan sebagai etsa asid untuk menghilangkan permukaan silikon dioksida yang tidak dilindungi. Akhirnya, photoresist dilucutkan menggunakan pelarut kimia atau sistem pengabuan plasma.

Lihat gambarajah skematik: Hanya (a) ditunjukkan.

Prosesnya agak serupa dengan membuat meterai. Pertama, model dicat pada batu dengan pigmen, kemudian diukir mengikut dimensi model. Ia pada asasnya prinsip yang sama.

Sama seperti anjing laut boleh mempunyai reka bentuk yang dinaikkan atau tersembunyi, wafer juga boleh dirawat dengan cara yang sama. Bergantung pada pilihan photoresist, sama ada positif atau negatif, seseorang boleh mencapai corak timbul (positif) dan ceruk (negatif). Fotoresist yang digunakan dirujuk sebagai rintangan positif dan rintangan negatif.

Selepas fotolitografi, permukaan silikon terdedah kepada persekitaran luar. Ahli fizik kemudiannya memperkenalkan unsur lain ke dalam permukaan silikon ini melalui proses yang dikenali sebagai implantasi ion.

Apabila ion boron (B) atau arsenik (As) ditanam, ia mengubah sifat tradisional silikon, mengubah ciri elektrokimianya. Pada ketika ini, semikonduktor dipanggil semikonduktor ekstrinsik.

Persimpangan yang dibentuk oleh sentuhan antara semikonduktor jenis P dan jenis N dipanggil persimpangan pn!

Selepas doping selesai, usaha dibuat untuk mengekstrak prestasi semikonduktor ini. Ini melibatkan pengelogan permukaan semikonduktor, dengan langkah-langkah termasuk sentuhan ohmik dan interkoneksi dilengkapkan dalam proses pemetaan berikutnya. Filem nipis logam boleh dibentuk menggunakan pemendapan wap fizikal (PVD) atau pemendapan wap kimia (CVD).

Dengan penyiapan metalisasi, simpang pn kini boleh berfungsi!

Itu sahaja untuk pengetahuan asas semikonduktor!

sebelum

Semikonduktor Mikro Slkor Diberi Paten Model Utiliti Baharu untuk Peranti Pemanasan Tiristor

Seterusnya

Menawarkan 20 Model Popular Secara Percuma – Slkor Merebut Masa untuk Penggantian Domestik