Все о полупроводнике

Главная Новости Основы электроники Все о полупроводнике

2024-03-20 2515

В последние годы полупроводники стали ключевой отраслью национального развития. Так что такое полупроводники?

В повседневной жизни все объекты по их электропроводности можно грубо разделить на три категории: проводники, полупроводники и изоляторы.

Это легко понять; предметы либо проводят электричество, либо не проводят электричество, либо проводят немного. Именно эти неоднозначные материалы и обладающие частичной проводимостью предоставляют физикам различные возможности для исследований.

Материалы, которые являются чисто проводящими или непроводящими, не имеют большого значения; интерес представляют вещества, проводимость которых меняется в разных условиях.

Давайте рассмотрим электропроводность материалов через диаграмму для более интуитивного понимания.

По электропроводности:

Изоляторы: с низкой электропроводностью, примерно от 20^-18См/см до 10^-8См/см, такие как расплавленный кварц и стекло.

Проводники: с более высокой электропроводностью от 10^4См/см до 10^6См/см, например, такие металлы, как алюминий и серебро.

Полупроводники: электропроводность которых находится между изоляторами и проводниками.

Общие элементарные полупроводники, встречающиеся в природе, включают кремний и германий. Говорят, что полупроводники на основе германия были открыты и использованы даже раньше, чем полупроводники на основе кремния, но естественным преимуществом кремния является его доступность. Знаете, обычный песок в природе содержит большое количество кремния!

Несмотря на то, что кварцевого песка в природе много, он содержит слишком много примесей и дефектов, поэтому его нельзя использовать напрямую и его необходимо рафинировать.

Как нам его усовершенствовать? Одним словом — сжечь!

Точно так же, как мы учились в средней школе по химии, мы проводим окислительно-восстановительные реакции.

SiC + SiO2 → Si (твердый) + SiO2 (газ) + CO (газ)
Si (твердый) + 3HC → SiHCl3 (газ) + H2 (газ)
SiHCl3 (газ) + H2 (газ) → Si (твердый) + 3HCl (газ)

После трех высокотемпературных химических реакций мы получаем твердый кремний, но на данный момент кремний является поликристаллическим.

Что такое поликристаллический кремний?

Точно так же, как когда мы чистим апельсин, внутри находится множество сегментов (поликристаллических сегментов), и каждый сегмент имеет разный вкус (ориентация кристаллов). Нам нужно выбрать сегмент с лучшим вкусом и позволить ему расти самостоятельно!

Как заставить маленький монокристалл расти индивидуально?

Физики действительно умны: они изобрели метод выращивания монокристаллов, названный методом Чохральского, возможно, названный в честь ученого, который его разработал.

Существует также интуитивно понятный отраслевой термин для этого процесса, известный как метод Бриджмена!

Потому что при выращивании монокристаллов это все равно что тянуть маленькие кристаллы вверх! Скорость вытягивания немного медленная. Взгляните на это устройство:

Синий цилиндрический стержень на изображении представляет собой монокристалл кремния. В процессе вытягивания он вращается, вытягиваясь вверх, в результате чего получается цилиндрический слиток, выращенный методом Бриджмена.

Выращенный слиток затем разрезается на кусочки в форме диска с помощью механических лезвий, образуя то, что мы называем пластинами.

Этот процесс кажется вам знакомым?

Именно так производятся вафли.

Хотя сейчас у нас есть пластины, на данном этапе электрохимические свойства монокристаллического кремния недостаточны для его непосредственного использования в производстве чипов. Затем инженеры работают над изменением электрохимических свойств монокристаллического кремния.

Как модифицируют монокристаллический кремний?

Во-первых, давайте углубимся в понимание кремниевого элемента. В таблице Менделеева кремний занимает 14-е место. Атом кремния имеет четыре электрона во внешней оболочке, которую он разделяет с четырьмя соседними атомами, образуя четыре пары общих электронов. Такая структура общих электронных пар известна как ковалентная связь. Каждая пара электронов образует ковалентную связь.

Возможно, вы узнали об этой части курса химии в средней школе. Давайте посмотрим на картинку для более наглядного понимания:

На левом изображении показана кристаллическая структура монокристаллического кремния, напоминающая структуру кристалла алмаза. Справа у нас есть изображение атомов кремния, разделяющих электроны, причем один атом кремния в центре разделяет электроны с четырьмя «родственными» атомами кремния.

Однажды физику пришла в голову внезапная идея: что, если кремний не будет делиться электронами со своими «родственными» атомами и пригласит в группу других «родных братьев»?

Однажды физик пригласил мышьяка присоединиться к группе, и тут произошло чудо:

«Родной брат» мышьяка имеет 5 электронов во внешней оболочке, из которых 4 электрона образуют связи с атомами кремния, оставляя один электрон неспаренным. Этот неспаренный электрон становится свободным агентом, блуждая вокруг и изменяя проводимость кремния из-за своего заряда.

Предоставляя дополнительный электрон семейству кремния, атом мышьяка известен как донор.

С увеличением количества свободных электронов в семействе кремния увеличивается количество отрицательно заряженных носителей, превращая кремний в полупроводник n-типа.

Почему он называется «Н-тип»? В английском языке «Negative» означает «негативный». Взяв первую букву этого слова, мы получим Н.

Точно так же, подумал физик, если мы сможем ввести в группу атомы мышьяка с дополнительными электронами, можем ли мы также пригласить в группу атомы бора с меньшим количеством электронов? Поэтому физик решил добавить в смесь атомы бора и посмотреть, что произойдет.

Поскольку у атома бора во внешней оболочке всего три электрона (на один меньше, чем у кремния), каждая ковалентная связь, первоначально имевшая две электронные пары, теперь состоит только из одной пары, оставляя после себя зазор — положительно заряженную дырку.

На данный момент полупроводник на основе кремния известен как полупроводник p-типа. Точно так же «P» происходит от первой буквы английского слова «Positive», а атом бора называется акцептором.

Именно введение различных атомов в монокристалл кремния приводит к образованию полупроводников N- и P-типа.

Когда у нас есть монокристаллический кремний и мы можем найти способ окислить его поверхность до диоксида кремния, диоксид кремния может служить изолятором для многих структур устройств или выступать в качестве барьерного слоя во время процессов изготовления устройств, таких как диффузия или ионная имплантация.

В процессе изготовления pn-перехода для определения области перехода можно использовать тонкий слой диоксида кремния.

Взгляните на эту схематическую диаграмму: (а) показана непокрытая кремниевая пластина, готовая к этапу окисления, а (б) изображен только верхний слой окисленной пластины.

Обладая теоретическими знаниями о полупроводниках P-типа и N-типа, мы можем пойти еще дальше и модифицировать поверхность диоксида кремния для создания желаемых узоров, таких как рисунок кошки или цветка.

Метод модификации поверхности пластины называется фотолитографией!

Но разве фотолитография не требует современного оборудования? Я слышал, что эти машины действительно впечатляют... Давайте сначала поймем принцип фотолитографии:

С помощью высокоскоростной машины для нанесения покрытия на поверхность чипа наносится слой светочувствительного к ультрафиолетовому (УФ) свету материала, называемого фоторезистом. После извлечения чипа из вращателя его запекают при температуре от 80°C до 100°C, чтобы удалить растворитель из фоторезиста и затвердеть, улучшив его адгезию к чипу.

Затем используется источник ультрафиолетового света, чтобы обнажить чип через узорчатую маску. Затем забуференная плавиковая кислота используется в качестве кислотного травителя для удаления незащищенной поверхности диоксида кремния. Наконец, фоторезист удаляется с помощью химического растворителя или системы плазменного озоления.

Взгляните на принципиальную схему: показан только (а).

Этот процесс чем-то похож на изготовление печати. Сначала модель рисуется на камне пигментом, затем вырезается по размерам модели. По сути, это тот же принцип.

Точно так же, как уплотнения могут иметь приподнятую или утопленную конструкцию, с пластинами можно обращаться аналогичным образом. В зависимости от выбора фоторезиста, позитивного или негативного, можно добиться приподнятых (позитивных) и утопленных (негативных) рисунков. Используемые фоторезисты называются позитивным резистом и негативным резистом.

После фотолитографии поверхность кремния подвергается воздействию внешней среды. Затем физики вводят в поверхность кремния другие элементы посредством процесса, известного как ионная имплантация.

Имплантация ионов бора (B) или мышьяка (As) изменяет традиционные свойства кремния, изменяя его электрохимические характеристики. На этом этапе полупроводник называется внешним полупроводником.

Переход, образующийся при контакте полупроводников P-типа и N-типа, называется pn-переходом!

После завершения легирования предпринимаются попытки улучшить характеристики этого полупроводника. Это включает в себя металлизацию поверхности полупроводника, причем этапы, включая омический контакт и межсоединение, выполняются в последующем процессе металлизации. Тонкие металлические пленки можно формировать с помощью физического осаждения из паровой фазы (PVD) или химического осаждения из паровой фазы (CVD).

После завершения металлизации pn-переход теперь может функционировать!

Вот и все базовые знания о полупроводниках!

Компания Slkor Micro Semiconductor получила новый патент на полезную модель тиристорного нагревательного устройства.

Компания Slkor предлагает 20 популярных моделей бесплатно – воспользовавшись моментом для замены устаревших моделей на рынке бытовой техники.