Alles over een halfgeleider

Home Nieuws Basisbeginselen van elektronica Alles over een halfgeleider

2024-03-20 2515

Halfgeleiders zijn de afgelopen jaren een belangrijke industrie van nationale ontwikkeling geweest. Dus wat zijn halfgeleiders precies?

In het dagelijks leven kunnen alle objecten grofweg op basis van hun elektrische geleidbaarheid worden ingedeeld in drie categorieën: geleiders, halfgeleiders en isolatoren.

Dit is gemakkelijk te begrijpen; objecten geleiden elektriciteit, geleiden geen elektriciteit of geleiden een klein beetje. Het zijn juist deze materialen die dubbelzinnig zijn en gedeeltelijke geleidbaarheid vertonen, die natuurkundigen verschillende onderzoeksmogelijkheden bieden.

Materialen die puur geleidend of niet-geleidend zijn, hebben niet veel betekenis; het zijn de stoffen waarvan de geleidbaarheid onder verschillende omstandigheden verandert die interessant zijn.

Laten we de elektrische geleidbaarheid van materialen eens bekijken via een diagram voor een meer intuïtief begrip.

Volgens hun elektrische geleidbaarheid:

Isolatoren: met een lage elektrische geleidbaarheid, ongeveer variërend van 20^-18S/cm tot 10^-8S/cm, zoals gesmolten kwarts en glas.

Geleiders: met een hogere elektrische geleidbaarheid, variërend van 10^4S/cm tot 10^6S/cm, zoals metalen zoals aluminium en zilver.

Halfgeleiders: waarbij de elektrische geleidbaarheid tussen die van isolatoren en geleiders ligt.

Veel voorkomende elementaire halfgeleiders die in de natuur voorkomen, zijn onder meer silicium en germanium. Er wordt gezegd dat op germanium gebaseerde halfgeleiders zelfs eerder zijn ontdekt en gebruikt dan op silicium gebaseerde halfgeleiders, maar het natuurlijke voordeel van silicium is de betaalbaarheid ervan. Gewoon zand in de natuur bevat een grote hoeveelheid silicium, weet je!

Hoewel er veel kwartszand in de natuur voorkomt, bevat het te veel onzuiverheden en defecten, waardoor het niet direct kan worden gebruikt en moet worden verfijnd.

Hoe verfijnen we het? In één woord: branden!

Net zoals we op de middelbare school scheikunde hebben geleerd, voeren we oxidatie-reductiereacties uit.

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

Na drie chemische reacties bij hoge temperaturen verkrijgen we vast silicium, maar op dit punt is het silicium polykristallijn.

Wat is polykristallijn silicium?

Net zoals wanneer we een sinaasappel schillen, zitten er binnenin veel segmenten (polykristallijne segmenten), en elk segment smaakt anders (kristaloriëntatie). We moeten het best smakende segment selecteren en het zelfstandig laten groeien!

Hoe laat je een klein enkel kristal individueel groeien?

Natuurkundigen zijn inderdaad slim en bedenken een methode voor het kweken van afzonderlijke kristallen, de Czochralski-methode, mogelijk vernoemd naar de wetenschapper die deze methode heeft ontwikkeld.

Er is ook een intuïtieve industriële term voor dit proces, bekend als de Bridgman-methode!

Want bij het kweken van enkele kristallen is het alsof je de kleine kristallen naar boven trekt! De treksnelheid is een beetje traag. Kijk eens naar dit apparaat:

De blauwe cilindrische staaf in de afbeelding is een monokristallijn silicium. Tijdens het trekproces roteert het terwijl het naar boven wordt getrokken, wat resulteert in een cilindrische staaf die is gegroeid volgens de Bridgman-methode.

De volwassen staaf wordt vervolgens met behulp van mechanische messen in schijfvormige stukken gesneden, waardoor zogenaamde wafels worden gevormd.

Klinkt dit proces u bekend in de oren?

Zo worden wafels geproduceerd.

Hoewel we nu over de wafers beschikken, zijn de elektrochemische eigenschappen van monokristallijn silicium in dit stadium niet voldoende voor direct gebruik bij het maken van chips. Ingenieurs werken vervolgens aan het wijzigen van de elektrochemische eigenschappen van monokristallijn silicium.

Hoe modificeren ze monokristallijn silicium?

Laten we eerst eens kijken naar enig begrip van het siliciumelement. In het periodiek systeem staat silicium op de 14e plaats. Een siliciumatoom heeft vier elektronen in zijn buitenste schil, die het deelt met vier aangrenzende atomen, waardoor vier paren gedeelde elektronen worden gevormd. Deze structuur van gedeelde elektronenparen staat bekend als covalente binding. Elk paar elektronen vormt een covalente binding.

Misschien heb je over dit onderdeel geleerd tijdens de scheikunde op de middelbare school. Laten we een foto bekijken voor een meer visueel begrip:

De linkerafbeelding toont de kristalstructuur van monokristallijn silicium, die lijkt op de structuur van een diamantkristal. Aan de rechterkant hebben we een afbeelding van siliciumatomen die elektronen delen, waarbij één siliciumatoom in het midden elektronen deelt met vier "broer"-siliciumatomen.

Op een dag had een natuurkundige een plotseling idee: wat als silicium de elektronen niet zou delen met zijn ‘broer- en zusteratomen’ en andere ‘broers en zussen’ in de groep zou uitnodigen?

Op een dag nodigde de natuurkundige arsenicum uit om zich bij de groep aan te sluiten, en toen gebeurde er een wonder:

De "broer of zus" van arseen heeft 5 elektronen in de buitenste schil, waarbij 4 elektronen bindingen vormen met siliciumatomen, waardoor één elektron ongepaard blijft. Dit ongepaarde elektron wordt een vrije agent, die ronddwaalt en de geleidbaarheid van silicium verandert vanwege zijn lading.

Door een extra elektron aan de siliciumfamilie te leveren, staat het arseenatoom bekend als donor.

Met de toename van vrije elektronen in de siliciumfamilie nemen de negatief geladen dragers toe, waardoor silicium in een n-type halfgeleider verandert.

Waarom wordt het "N-type" genoemd? In het Engels staat 'Negatief' voor negatief. Als we de eerste letter van dit woord nemen, krijgen we N.

Op dezelfde manier dacht de natuurkundige: als we arseenatomen met extra elektronen kunnen introduceren, kunnen we dan ook booratomen met minder elektronen in de groep uitnodigen? Dus besloot de natuurkundige booratomen in de mix te brengen om te zien wat er gebeurt.

Omdat het booratoom slechts drie elektronen in zijn buitenste schil heeft, één minder dan silicium, bestaat elke covalente binding die oorspronkelijk twee elektronenparen had, nu uit slechts één paar, waardoor er een opening overblijft: een positief geladen gat.

Op dit punt staat de op silicium gebaseerde halfgeleider bekend als een p-type halfgeleider. Op dezelfde manier komt "P" van de eerste letter van het Engelse woord "Positive", en wordt het booratoom een acceptor genoemd.

Het is de introductie van verschillende atomen in het monokristallijne silicium dat resulteert in de vorming van halfgeleiders van het N-type en het P-type.

Als we monokristallijn silicium hebben en een manier kunnen vinden om het oppervlak ervan te oxideren tot siliciumdioxide, kan het siliciumdioxide dienen als isolator voor veel apparaatstructuren of als barrièrelaag fungeren tijdens fabricageprocessen van apparaten, zoals diffusie of ionenimplantatie.

Bij het productieproces van een pn-overgang kan een dunne laag siliciumdioxide worden gebruikt om het gebied van de junctie te definiëren.

Kijk eens naar dit schematische diagram: (a) toont een onbedekte siliciumwafel, klaar voor de oxidatiestap, terwijl (b) alleen de bovenste laag van de geoxideerde wafel weergeeft.

Met de theoretische kennis van halfgeleiders van het P-type en N-type kunnen we nog een stap verder gaan en het oppervlak van siliciumdioxide aanpassen om gewenste patronen te creëren, zoals het tekenen van een kat of een bloem.

De methode voor het modificeren van het wafeloppervlak wordt fotolithografie genoemd!

Maar vereist fotolithografie geen geavanceerde apparatuur? Ik heb gehoord dat die machines echt indrukwekkend zijn... Laten we eerst het principe van fotolithografie begrijpen:

Met behulp van een snelle spincoater wordt een laag ultraviolet (UV) lichtgevoelig materiaal, fotoresist genaamd, op het oppervlak van de chip gesponnen. Nadat de chip uit de spinner is verwijderd, wordt deze gebakken bij een temperatuur tussen 80°C en 100°C om het oplosmiddel in de fotoresist te verdrijven en uit te harden, waardoor de hechting aan de chip wordt verbeterd.

Vervolgens wordt een UV-lichtbron gebruikt om de chip bloot te leggen via een masker met patroon. Vervolgens wordt gebufferd fluorwaterstofzuur gebruikt als zuur etsmiddel om het onbeschermde siliciumdioxide-oppervlak te verwijderen. Tenslotte wordt de fotoresist gestript met behulp van een chemisch oplosmiddel of een plasmaverassingssysteem.

Bekijk het schema eens: alleen (a) wordt weergegeven.

Het proces lijkt enigszins op het maken van een zegel. Eerst wordt een model met pigment op een steen geschilderd en vervolgens uitgesneden volgens de afmetingen van het model. Het is in wezen hetzelfde principe.

Net zoals afdichtingen een verhoogd of verzonken ontwerp kunnen hebben, kunnen ook wafers op dezelfde manier worden behandeld. Afhankelijk van de keuze van de fotoresist, positief of negatief, kunnen verhoogde (positieve) en verzonken (negatieve) patronen worden bereikt. De gebruikte fotoresists worden positieve resist en negatieve resist genoemd.

Na fotolithografie wordt het siliciumoppervlak blootgesteld aan de buitenomgeving. Natuurkundigen introduceren vervolgens andere elementen in dit siliciumoppervlak via een proces dat bekend staat als ionenimplantatie.

Wanneer boor- (B) of arseen- (As)-ionen worden geïmplanteerd, veranderen ze de traditionele eigenschappen van silicium, waardoor de elektrochemische eigenschappen veranderen. Op dit punt wordt de halfgeleider een extrinsieke halfgeleider genoemd.

De verbinding gevormd door het contact tussen P-type en N-type halfgeleiders wordt een pn-overgang genoemd!

Nadat de doping is voltooid, worden pogingen ondernomen om de prestaties van deze halfgeleider te achterhalen. Dit omvat het metalliseren van het halfgeleideroppervlak, waarbij stappen zoals ohms contact en verbinding worden voltooid in het daaropvolgende metallisatieproces. Dunne metaalfilms kunnen worden gevormd met behulp van fysische dampafzetting (PVD) of chemische dampafzetting (CVD).

Nu de metallisatie is voltooid, kan de pn-overgang nu functioneren!

Dat is alles voor de basiskennis van halfgeleiders!

Slkor Micro Semiconductor verkrijgt nieuw gebruiksmodeloctrooi voor thyristorverwarmingselement.

Slkor biedt 20 populaire modellen gratis aan en grijpt de kans voor binnenlandse vervanging.