Wszystko o półprzewodniku

Home Wiadomości Podstawy elektroniki Wszystko o półprzewodniku

2024-03-20 2515

Półprzewodniki są w ostatnich latach kluczową branżą rozwoju kraju. Więc czym właściwie są półprzewodniki?

W życiu codziennym wszystkie obiekty można z grubsza podzielić na trzy kategorie według ich przewodności elektrycznej: przewodniki, półprzewodniki i izolatory.

Łatwo to zrozumieć; przedmioty albo przewodzą prąd, nie przewodzą prądu, albo trochę przewodzą. To właśnie te materiały, które są niejednoznaczne i wykazują częściową przewodność, dają fizykom różne możliwości eksploracji.

Materiały, które są wyłącznie przewodzące lub nieprzewodzące, nie mają większego znaczenia; Interesujące są substancje, których przewodnictwo zmienia się w różnych warunkach.

Przyjrzyjmy się przewodności elektrycznej materiałów za pomocą diagramu, aby uzyskać bardziej intuicyjne zrozumienie.

Według ich przewodności elektrycznej:

Izolatory: o niskiej przewodności elektrycznej, w przybliżeniu od 20^-18S/cm do 10^-8S/cm, takie jak stopiony kwarc i szkło.

Przewodniki: o wyższej przewodności elektrycznej, w zakresie od 10^4S/cm do 10^6S/cm, takie jak metale takie jak aluminium i srebro.

Półprzewodniki: o przewodności elektrycznej mieszczącej się pomiędzy przewodnością izolatorów i przewodników.

Typowe półprzewodniki elementarne występujące w przyrodzie obejmują krzem i german. Mówi się, że półprzewodniki na bazie germanu odkryto i zastosowano jeszcze wcześniej niż półprzewodniki na bazie krzemu, ale naturalną zaletą krzemu jest jego przystępna cena. Wiadomo, że piasek pospolity w przyrodzie zawiera dużą ilość krzemu!

Mimo że piasku krzemionkowego w przyrodzie jest dużo, zawiera on zbyt dużo zanieczyszczeń i defektów, dlatego nie można go bezpośrednio wykorzystać i wymaga on rafinacji.

Jak to udoskonalić? Jednym słowem – palić!

Tak jak uczyliśmy się na chemii w gimnazjum, przeprowadzamy reakcje utleniania i redukcji.

SiC + SiO2 → Si (stały) + SiO2 (gaz) + CO (gaz)
Si (stały) + 3HC → SiHCl3 (gaz) + H2 (gaz)
SiHCl3 (gaz) + H2 (gaz) → Si (stały) + 3HCl (gaz)

Po trzech reakcjach chemicznych w wysokiej temperaturze otrzymujemy stały krzem, ale w tym momencie krzem jest polikrystaliczny.

Co to jest krzem polikrystaliczny?

Podobnie jak w przypadku obierania pomarańczy, wewnątrz znajduje się wiele segmentów (segmenty polikrystaliczne), a każdy segment ma inny smak (orientacja krystaliczna). Musimy wybrać segment o najlepszym smaku i pozwolić mu rosnąć sam!

Jak sprawić, by mały pojedynczy kryształ rósł indywidualnie?

Fizycy rzeczywiście postąpili mądrze, wymyślając metodę hodowania monokryształów zwaną metodą Czochralskiego, prawdopodobnie nazwaną na cześć naukowca, który ją opracował.

Istnieje również intuicyjny termin branżowy określający ten proces, znany jako metoda Bridgmana!

Ponieważ hodowanie monokryształów przypomina ciągnięcie małych kryształów w górę! Prędkość ciągnięcia jest nieco powolna. Spójrz na to urządzenie:

Niebieski cylindryczny pręt na obrazku to monokrystaliczny krzem. Podczas procesu ciągnięcia obraca się podczas ciągnięcia do góry, w wyniku czego powstaje cylindryczny wlewek wyhodowany metodą Bridgmana.

Wyhodowany wlewek jest następnie cięty na kawałki w kształcie dysku za pomocą mechanicznych ostrzy, tworząc tak zwane płytki.

Czy ten proces brzmi znajomo?

Tak powstają wafle.

Chociaż mamy już płytki, na tym etapie właściwości elektrochemiczne monokrystalicznego krzemu nie są wystarczające do bezpośredniego wykorzystania w produkcji chipów. Następnie inżynierowie pracują nad modyfikacją właściwości elektrochemicznych monokrystalicznego krzemu.

Jak modyfikują monokrystaliczny krzem?

Najpierw zagłębimy się w zrozumienie pierwiastka krzemowego. W układzie okresowym krzem zajmuje 14. miejsce. Atom krzemu ma cztery elektrony w swojej zewnętrznej powłoce, które dzieli z czterema sąsiednimi atomami, tworząc cztery pary wspólnych elektronów. Ta struktura wspólnych par elektronów jest znana jako wiązanie kowalencyjne. Każda para elektronów tworzy wiązanie kowalencyjne.

Być może dowiedziałeś się o tej części z chemii w gimnazjum. Rzućmy okiem na zdjęcie, aby uzyskać bardziej wizualne zrozumienie:

Zdjęcie po lewej stronie przedstawia strukturę krystaliczną monokryształu krzemu, która przypomina strukturę kryształu diamentu. Po prawej stronie widzimy atomy krzemu dzielące elektrony, przy czym jeden atom krzemu w środku dzieli elektrony z czterema „rodzeństwami” atomami krzemu.

Pewnego dnia fizyk wpadł na nagły pomysł: co by było, gdyby krzem nie dzielił elektronów ze swoimi „rodzeństwami” atomami i zaprosił do grupy inne „rodzeństwo”?

Pewnego dnia fizyk zaprosił do swojej grupy arszenik i wtedy wydarzył się cud:

„Rodzeństwo” arsenu ma 5 elektronów w swojej zewnętrznej powłoce, przy czym 4 elektrony tworzą wiązania z atomami krzemu, pozostawiając jeden elektron niesparowany. Ten niesparowany elektron staje się wolnym czynnikiem, wędrującym i zmieniającym przewodnictwo krzemu ze względu na jego ładunek.

Dostarczając dodatkowy elektron rodzinie krzemu, atom arsenu jest znany jako donor.

Wraz ze wzrostem liczby wolnych elektronów w rodzinie krzemu zwiększa się liczba ujemnie naładowanych nośników, przekształcając krzem w półprzewodnik typu n.

Dlaczego nazywa się to „typem N”? W języku angielskim „Negative” oznacza negatyw. Biorąc pierwszą literę tego słowa otrzymujemy N.

Podobnie, pomyślał fizyk, jeśli możemy wprowadzić atomy arsenu z dodatkowymi elektronami, czy możemy zaprosić do grupy również atomy boru z mniejszą liczbą elektronów? Fizyk postanowił więc dodać do mieszanki atomy boru i zobaczyć, co się stanie.

Ponieważ atom boru ma tylko 3 elektrony na swojej zewnętrznej powłoce, o jeden mniej niż krzem, każde wiązanie kowalencyjne, które pierwotnie miało 2 pary elektronów, składa się teraz z tylko jednej pary, pozostawiając po sobie przerwę – dodatnio naładowaną dziurę.

W tym momencie półprzewodnik na bazie krzemu jest znany jako półprzewodnik typu p. Podobnie „P” pochodzi od pierwszej litery angielskiego słowa „Positive”, a atom boru nazywany jest akceptorem.

To wprowadzenie różnych atomów do monokryształu krzemu powoduje powstanie półprzewodników typu N i typu P.

Kiedy mamy monokrystaliczny krzem i możemy znaleźć sposób na utlenienie jego powierzchni do dwutlenku krzemu, dwutlenek krzemu może służyć jako izolator w wielu konstrukcjach urządzeń lub działać jako warstwa barierowa podczas procesów wytwarzania urządzeń, takich jak dyfuzja lub implantacja jonów.

W procesie produkcyjnym złącza pn do określenia obszaru złącza można zastosować cienką warstwę dwutlenku krzemu.

Spójrz na ten schemat: (a) przedstawia odkrytą płytkę krzemową, gotową do etapu utleniania, natomiast (b) przedstawia tylko górną warstwę utlenionej płytki.

Dzięki teoretycznej wiedzy na temat półprzewodników typu P i N możemy pójść o krok dalej i modyfikować powierzchnię dwutlenku krzemu w celu uzyskania pożądanych wzorów, takich jak narysowanie kota lub kwiatu.

Metoda modyfikacji powierzchni płytki nazywa się fotolitografią!

Ale czy fotolitografia nie wymaga zaawansowanego sprzętu? Słyszałem, że te maszyny robią wrażenie... Najpierw poznajmy zasadę fotolitografii:

Za pomocą powlekarki obrotowej o dużej prędkości na powierzchnię chipa nawija się warstwę materiału wrażliwego na światło ultrafioletowe (UV), zwanego fotorezystem. Po wyjęciu chipa z przędzarki, jest on wypalany w temperaturze od 80°C do 100°C w celu usunięcia rozpuszczalnika z fotomaski i utwardzenia go, zwiększając jego przyczepność do chipa.

Następnie wykorzystuje się źródło światła UV do naświetlania chipa przez wzorzystą maskę. Następnie buforowany kwas fluorowodorowy stosuje się jako kwasowy środek trawiący w celu usunięcia niezabezpieczonej powierzchni dwutlenku krzemu. Na koniec fotomaskę usuwa się za pomocą rozpuszczalnika chemicznego lub systemu spopielania plazmowego.

Spójrz na schemat: Pokazano tylko (a).

Proces ten przypomina nieco wykonanie pieczęci. Najpierw model jest malowany pigmentem na kamieniu, następnie jest rzeźbiony zgodnie z wymiarami modelu. Zasadniczo jest to ta sama zasada.

Podobnie jak uszczelki mogą mieć konstrukcję wypukłą lub zagłębioną, tak samo płytki można traktować w podobny sposób. W zależności od wyboru fotomaski, pozytywowej lub negatywowej, można uzyskać wzory wypukłe (pozytywne) i zagłębione (negatywne). Stosowane fotorezysty określane są jako rezystancja dodatnia i rezystancja ujemna.

Po fotolitografii powierzchnia krzemu jest wystawiana na działanie środowiska zewnętrznego. Następnie fizycy wprowadzają inne pierwiastki na tę krzemową powierzchnię w procesie znanym jako implantacja jonów.

Wszczepione jony boru (B) lub arsenu (As) zmieniają tradycyjne właściwości krzemu, zmieniając jego właściwości elektrochemiczne. W tym momencie półprzewodnik nazywany jest półprzewodnikiem zewnętrznym.

Złącze utworzone przez kontakt półprzewodników typu P i N nazywa się złączem pn!

Po zakończeniu domieszkowania podejmuje się wysiłki w celu wydobycia wydajności tego półprzewodnika. Obejmuje to metalizację powierzchni półprzewodnika, a etapy obejmują kontakt omowy i połączenie między sobą zakończone w późniejszym procesie metalizacji. Cienkie warstwy metalu można formować metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD) lub chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).

Po zakończeniu metalizacji złącze pn może teraz działać!

To wszystko, jeśli chodzi o podstawową wiedzę o półprzewodnikach!

Poprzednie

Slkor Micro Semiconductor uzyskał nowy patent na wzór użytkowy dla tyrystorowego urządzenia grzewczego

Następna