Yarı iletken hakkında her şey

Ana Sayfa Haberler Elektronik Temelleri Yarı iletken hakkında her şey

2024-03-20 2515

Yarı iletkenler son yıllarda ulusal kalkınmanın önemli bir endüstrisi olmuştur. Bu yüzden Yarı iletkenler tam olarak nedir?

Günlük yaşamda tüm nesneler elektriksel iletkenliklerine göre kabaca üç kategoriye ayrılabilir: iletkenler, yarı iletkenler ve yalıtkanlar.

Bunu anlamak kolaydır; Nesneler ya elektriği iletir, ya elektriği iletmez ya da çok az iletir. Fizikçilere farklı keşif fırsatları sağlayan da tam olarak belirsiz olan ve kısmi iletkenlik sergileyen bu malzemelerdir.

Tamamen iletken olan veya iletken olmayan malzemeler pek anlamlı değildir; ilginç olan farklı koşullar altında iletkenliği değişen maddelerdir.

Daha sezgisel bir anlayış için malzemelerin elektriksel iletkenliğine bir diyagram aracılığıyla bakalım.

Elektriksel iletkenliklerine göre:

İzolatörler: Düşük elektrik iletkenliğine sahip, yaklaşık olarak 20^-18S/cm ile 10^-8S/cm arasında değişen erimiş kuvars ve cam gibi.

İletkenler: Alüminyum ve gümüş gibi metaller gibi 10^4S/cm ile 10^6S/cm arasında değişen daha yüksek elektrik iletkenliğine sahip.

Yarıiletkenler: Elektrik iletkenliği yalıtkanlar ve iletkenlerinki arasında kalanlardır.

Doğada bulunan yaygın elementel yarı iletkenler arasında silikon ve germanyum bulunur. Germanyum bazlı yarı iletkenlerin silikon bazlı olanlardan daha önce keşfedilip kullanıldığı söyleniyor, ancak silikonun doğal avantajı uygun fiyatlı olmasıdır. Doğadaki sıradan kumlar büyük miktarda silikon içerir, biliyorsunuz!

Doğada çok fazla silis kumu bulunmasına rağmen çok fazla safsızlık ve kusur içerdiğinden doğrudan kullanılamaz ve rafine edilmesi gerekir.

Bunu nasıl geliştirebiliriz? Tek kelimeyle; yan!

Tıpkı ortaokul kimya dersinde öğrendiğimiz gibi oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarını gerçekleştiririz.

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

Üç yüksek sıcaklıktaki kimyasal reaksiyondan sonra katı silikon elde ederiz, ancak bu noktada silikon polikristaldir.

Çok kristalli silikon nedir?

Tıpkı bir portakalı soyduğumuzda olduğu gibi, içinde birçok bölüm (polikristalin bölümler) bulunur ve her bölümün tadı farklıdır (kristal yönelimi). En lezzetli segmenti seçip onun kendi başına büyümesine izin vermeliyiz!

Küçük tek bir kristalin ayrı ayrı büyümesi nasıl sağlanır?

Fizikçiler gerçekten de akıllılar; tek kristalleri büyütmek için Czochralski yöntemi adı verilen ve muhtemelen adını onu geliştiren bilim insanının adını taşıyan bir yöntem icat ettiler.

Bu süreç için Bridgman yöntemi olarak bilinen sezgisel bir endüstri terimi de vardır!

Çünkü tek kristalleri büyütmek, küçük kristalleri yukarı doğru çekmek gibidir! Çekme hızı biraz yavaş. Bu cihaza bir göz atın:

Görüntüdeki mavi silindirik çubuk tek kristalli bir silikondur. Çekme işlemi sırasında yukarıya doğru çekilirken dönerek Bridgman yöntemiyle büyütülen silindirik bir külçe elde edilir.

Büyütülmüş külçe daha sonra mekanik bıçaklar kullanılarak disk şeklinde parçalar halinde kesilerek, gofret dediğimiz şey oluşturulur.

Bu süreç size tanıdık geliyor mu?

Gofret bu şekilde üretilir.

Artık levhalara sahip olmamıza rağmen, bu aşamada tek kristal silikonun elektrokimyasal özellikleri, çip yapımında doğrudan kullanım için yeterli değildir. Mühendisler daha sonra tek kristal silikonun elektrokimyasal özelliklerini değiştirmeye çalışıyor.

Tek kristal silikonu nasıl değiştirirler?

Öncelikle silikon elementi hakkında biraz bilgi edinelim. Periyodik tabloda silikon 14. sırada yer almaktadır. Bir silikon atomunun dış kabuğunda, dört komşu atomla paylaştığı ve dört çift paylaşılan elektron oluşturan dört elektronu vardır. Paylaşılan elektron çiftlerinin bu yapısı kovalent bağ olarak bilinir. Her elektron çifti bir kovalent bağ oluşturur.

Bu kısmı ortaokul kimya dersinde öğrenmiş olabilirsiniz. Daha görsel bir anlayış için bir resme bakalım:

Soldaki görüntü, elmas kristalinin yapısına benzeyen tek kristalli silikonun kristal yapısını göstermektedir. Sağda, elektronları paylaşan silikon atomlarının bir tasviri var; ortada bir silikon atomu, dört "kardeş" silikon atomuyla elektronları paylaşıyor.

Bir gün bir fizikçinin aklına ani bir fikir geldi: Ya silikon "kardeş" atomlarıyla elektronları paylaşmasaydı ve diğer "kardeşleri" gruba davet etseydi?

Bir gün fizikçi arseniği gruba katılmaya davet etti ve sonra bir mucize gerçekleşti:

Arsenik "kardeşinin" dış kabuğunda 5 elektron vardır; 4 elektronu silikon atomlarıyla bağ oluşturarak bir elektronu eşleşmemiş bırakır. Bu eşleşmemiş elektron, serbest bir madde haline gelir, etrafta dolaşır ve yükü nedeniyle silikonun iletkenliğini değiştirir.

Silikon ailesine fazladan bir elektron sağlayarak arsenik atomu donör olarak bilinir.

Silikon ailesindeki serbest elektronların artmasıyla birlikte negatif yüklü taşıyıcılar da artarak silikonu n-tipi bir yarı iletkene dönüştürür.

Neden "N-tipi" deniyor? İngilizce'de "Negatif" negatifi temsil eder. Bu kelimenin ilk harfini almak bize N'yi verir.

Benzer şekilde fizikçi, eğer fazladan elektrona sahip arsenik atomlarını gruba katabilirsek, daha az elektrona sahip bor atomlarını da gruba davet edebilir miyiz diye düşündü? Bu yüzden fizikçi ne olacağını görmek için bor atomlarını karışıma katmaya karar verdi.

Bor atomunun dış kabuğunda silikondan bir eksik olmak üzere yalnızca 3 elektronu olması nedeniyle, başlangıçta 2 elektron çiftine sahip olan her kovalent bağ artık sadece bir çiftten oluşuyor ve arkasında bir boşluk, yani pozitif yüklü bir delik bırakıyor.

Bu noktada silikon bazlı yarı iletken, p tipi yarı iletken olarak biliniyor. Benzer şekilde "P" İngilizce "Positive" kelimesinin ilk harfinden gelir ve bor atomuna alıcı denir.

N-tipi ve P-tipi yarı iletkenlerin oluşumuyla sonuçlanan, tek kristal silikona farklı atomların eklenmesidir.

Tek kristal silikona sahip olduğumuzda ve yüzeyini silikon dioksite oksitlemenin bir yolunu bulduğumuzda, silikon dioksit birçok cihaz yapısı için bir yalıtkan görevi görebilir veya difüzyon veya iyon implantasyonu gibi cihaz imalat süreçleri sırasında bir bariyer tabakası görevi görebilir.

Bir pn bağlantısının üretim sürecinde, bağlantı bölgesini tanımlamak için ince bir silikon dioksit tabakası kullanılabilir.

Bu şematik diyagrama bir göz atın: (a) oksidasyon aşamasına hazır, kaplanmamış bir silikon levhayı gösterirken (b) oksitlenmiş levhanın yalnızca üst katmanını gösterir.

P-tipi ve N-tipi yarı iletkenlere ilişkin teorik bilgiyle, işleri bir adım daha ileri götürebilir ve silikon dioksitin yüzeyini değiştirerek istenen desenleri oluşturabiliriz; örneğin kedi veya çiçek çizmek gibi.

Gofret yüzeyini değiştirme yöntemine fotolitografi denir!

Peki fotolitografi gelişmiş ekipman gerektirmiyor mu? Bu makinelerin gerçekten etkileyici olduğunu duymuştum... Önce fotolitografinin prensibini anlayalım:

Yüksek hızlı bir döner kaplayıcı kullanılarak, çipin yüzeyine fotorezist adı verilen ultraviyole (UV) ışığa duyarlı bir malzeme tabakası döndürülür. Çipi döndürücüden çıkardıktan sonra, fotorezistteki solventi uzaklaştırmak ve onu sertleştirerek çipe yapışmasını arttırmak için 80°C ile 100°C arasındaki bir sıcaklıkta fırınlanır.

Daha sonra, çipi desenli bir maske aracılığıyla açığa çıkarmak için bir UV ışık kaynağı kullanılır. Daha sonra, korunmasız silikon dioksit yüzeyini çıkarmak için asit aşındırıcı olarak tamponlu hidroflorik asit kullanılır. Son olarak fotorezist, kimyasal bir solvent veya plazma külleme sistemi kullanılarak sıyrılır.

Şematik diyagrama bir göz atın: Yalnızca (a) gösterilmiştir.

Süreç bir bakıma mühür yapımına benzer. Önce pigmentli bir taş üzerine model boyanır, ardından modelin boyutlarına göre oyulur. Esasen aynı prensiptir.

Contaların yükseltilmiş veya girintili tasarımlara sahip olabilmesi gibi, levhalar da benzer şekilde işlenebilir. Pozitif veya negatif fotorezist seçimine bağlı olarak, yükseltilmiş (pozitif) ve girintili (negatif) desenler elde edilebilir. Kullanılan fotorezistler pozitif direnç ve negatif direnç olarak adlandırılır.

Fotolitografi sonrasında silikon yüzey dış ortama maruz bırakılır. Fizikçiler daha sonra iyon implantasyonu olarak bilinen bir işlemle bu silikon yüzeye başka elementler ekliyorlar.

Bor (B) veya arsenik (As) iyonları implante edildiğinde, silikonun geleneksel özelliklerini değiştirerek elektrokimyasal özelliklerini değiştirirler. Bu noktada yarı iletkene dışsal yarı iletken adı verilir.

P tipi ve N tipi yarı iletkenler arasındaki temasın oluşturduğu bağlantıya pn bağlantısı denir!

Katkılama tamamlandıktan sonra bu yarı iletkenin performansının ortaya çıkarılması için çalışmalar yapılıyor. Bu, yarı iletken yüzeyin metalleştirilmesini içerir; omik kontak ve ara bağlantı gibi adımlar, sonraki metalleştirme işleminde tamamlanır. Metal ince filmler, fiziksel buhar biriktirme (PVD) veya kimyasal buhar biriktirme (CVD) kullanılarak oluşturulabilir.

Metalizasyonun tamamlanmasıyla pn bağlantısı artık çalışabilir!

Temel yarı iletken bilgisi için hepsi bu!

Slkor Micro Semiconductor, tristörlü ısıtma cihazı için yeni bir faydalı model patenti aldı.

Slkor, 20 Popüler Modeli Ücretsiz Sunuyor – Yerli Üretimde Değişim İçin Fırsatı Yakalıyor