سیمی کنڈکٹر کے بارے میں سب کچھ

ہوم پیج (-) خبریں الیکٹرانکس کی بنیادی باتیں سیمی کنڈکٹر کے بارے میں سب کچھ

2024-03-20 2515

سیمی کنڈکٹرز حالیہ برسوں میں قومی ترقی کی ایک کلیدی صنعت رہے ہیں۔ تو سیمی کنڈکٹرز بالکل کیا ہیں؟

روزمرہ کی زندگی میں، تمام اشیاء کو ان کی برقی چالکتا کے لحاظ سے تین اقسام میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: کنڈکٹر، سیمی کنڈکٹرز اور انسولیٹر۔

یہ سمجھنا آسان ہے؛ اشیاء یا تو بجلی چلاتی ہیں، بجلی نہیں چلاتی، یا تھوڑی سی چلتی ہیں۔ یہ بالکل وہی مواد ہے جو مبہم ہیں اور جزوی چالکتا کی نمائش کرتے ہیں جو طبیعیات دانوں کو تلاش کے مختلف مواقع فراہم کرتے ہیں۔

مواد جو خالص طور پر conductive یا غیر conductive ہیں بہت معنی خیز نہیں ہیں؛ یہ وہ مادے ہیں جن کی چالکتا مختلف حالات میں بدلتی ہے جو دلچسپ ہے۔

آئیے مزید بدیہی تفہیم کے لیے ایک خاکہ کے ذریعے مواد کی برقی چالکتا پر ایک نظر ڈالتے ہیں۔

ان کی برقی چالکتا کے مطابق:

انسولیٹر: کم برقی چالکتا کے ساتھ، تقریباً 20^-18S/cm سے لے کر 10^-8S/cm تک، جیسے پگھلا ہوا کوارٹج اور شیشہ۔

کنڈکٹرز: اعلی برقی چالکتا کے ساتھ، 10^4S/cm سے 10^6S/cm تک، جیسے ایلومینیم اور چاندی جیسی دھاتیں۔

سیمی کنڈکٹرز: انسولیٹروں اور کنڈکٹرز کے درمیان برقی چالکتا گرنے کے ساتھ۔

فطرت میں پائے جانے والے عام عنصری سیمی کنڈکٹرز میں سلکان اور جرمینیم شامل ہیں۔ یہ کہا جاتا ہے کہ جرمینیئم پر مبنی سیمی کنڈکٹرز سلیکان پر مبنی سیمی کنڈکٹرز سے پہلے بھی دریافت اور استعمال کیے گئے تھے، لیکن سلیکون کا قدرتی فائدہ اس کی سستی ہے۔ فطرت میں عام ریت میں سلکان کی ایک بڑی مقدار ہوتی ہے، آپ جانتے ہیں!

اگرچہ فطرت میں سلیکا ریت بہت زیادہ ہے، اس میں بہت زیادہ نجاست اور نقائص ہیں، اس لیے اسے براہ راست استعمال نہیں کیا جا سکتا اور اسے بہتر کرنے کی ضرورت ہے۔

ہم اسے کیسے بہتر کرتے ہیں؟ ایک لفظ میں - جلو!

جیسا کہ ہم نے جونیئر ہائی اسکول کی کیمسٹری میں سیکھا ہے، ہم آکسیڈیشن میں کمی کے رد عمل کو انجام دیتے ہیں۔

SiC + SiO2 → Si (ٹھوس) + SiO2 (گیس) + CO (گیس)
Si (ٹھوس) + 3HC → SiHCl3 (گیس) + H2 (گیس)
SiHCl3 (گیس) + H2 (گیس) → Si (ٹھوس) + 3HCl (گیس)

تین اعلی درجہ حرارت کے کیمیائی رد عمل کے بعد، ہم ٹھوس سلکان حاصل کرتے ہیں، لیکن اس مقام پر، سلکان پولی کرسٹل لائن ہے۔

پولی کرسٹل لائن سلکان کیا ہے؟

بالکل اسی طرح جیسے جب ہم نارنجی کو چھیلتے ہیں تو اس کے اندر بہت سے حصے ہوتے ہیں (پولی کرسٹل لائن سیگمنٹ) اور ہر طبقہ کا ذائقہ مختلف ہوتا ہے (کرسٹل واقفیت)۔ ہمیں بہترین چکھنے والے طبقے کو منتخب کرنے اور اسے خود ہی بڑھنے دینے کی ضرورت ہے!

ایک چھوٹے سے سنگل کرسٹل کو انفرادی طور پر کیسے بڑھایا جائے؟

طبیعیات دان واقعی ہوشیار ہیں، انہوں نے سنگل کرسٹل اگانے کا ایک طریقہ ایجاد کیا جسے Czochralski طریقہ کہا جاتا ہے، جس کا نام ممکنہ طور پر اس سائنسدان کے نام پر رکھا گیا ہے جس نے اسے تیار کیا۔

اس عمل کے لیے ایک بدیہی صنعت کی اصطلاح بھی ہے، جسے برج مین طریقہ کہا جاتا ہے!

کیونکہ جب سنگل کرسٹل بڑھتے ہیں، تو یہ چھوٹے کرسٹل کو اوپر کی طرف کھینچنے کے مترادف ہے! کھینچنے کی رفتار تھوڑی سست ہے۔ اس ڈیوائس پر ایک نظر ڈالیں:

تصویر میں نیلے رنگ کی بیلناکار چھڑی ایک واحد کرسٹل سلکان ہے۔ کھینچنے کے عمل کے دوران، یہ اوپر کی طرف کھینچتے ہوئے گھومتا ہے، جس کے نتیجے میں برج مین طریقہ سے ایک بیلناکار انگوٹ اگتا ہے۔

اس کے بعد بڑھے ہوئے پنڈ کو مکینیکل بلیڈ کا استعمال کرتے ہوئے ڈسک کی شکل کے ٹکڑوں میں کاٹا جاتا ہے، جس کو ہم ویفر کہتے ہیں۔

کیا یہ عمل آپ کو مانوس لگتا ہے؟

اس طرح ویفرز تیار ہوتے ہیں۔

اگرچہ اب ہمارے پاس ویفرز موجود ہیں، اس مرحلے پر، سنگل کرسٹل سلکان کی الیکٹرو کیمیکل خصوصیات چپس بنانے میں براہ راست استعمال کے لیے کافی نہیں ہیں۔ انجینئرز پھر سنگل کرسٹل سلکان کی الیکٹرو کیمیکل خصوصیات کو تبدیل کرنے پر کام کرتے ہیں۔

وہ سنگل کرسٹل سلکان کو کیسے تبدیل کرتے ہیں؟

سب سے پہلے، آئیے سلیکون عنصر کی کچھ تفہیم پر غور کریں۔ متواتر جدول میں، سلکان 14ویں نمبر پر ہے۔ ایک سلیکون ایٹم کے بیرونی خول میں چار الیکٹران ہوتے ہیں، جنہیں یہ چار پڑوسی ایٹموں کے ساتھ بانٹتا ہے، جو مشترکہ الیکٹران کے چار جوڑے بناتے ہیں۔ مشترکہ الیکٹران جوڑوں کی اس ساخت کو covalent بانڈنگ کے نام سے جانا جاتا ہے۔ الیکٹرانوں کا ہر جوڑا ایک ہم آہنگی بانڈ بناتا ہے۔

آپ نے مڈل اسکول کیمسٹری میں اس حصے کے بارے میں سیکھا ہوگا۔ آئیے مزید بصری تفہیم کے لیے ایک تصویر پر ایک نظر ڈالتے ہیں:

بائیں تصویر سنگل کرسٹل سلیکون کا کرسٹل ڈھانچہ دکھاتی ہے، جو ہیرے کے کرسٹل کی ساخت سے مشابہت رکھتی ہے۔ دائیں طرف، ہمارے پاس سلیکون ایٹموں کی ایک تصویر ہے جو الیکٹرانوں کو بانٹتے ہیں، جس میں ایک سلیکان ایٹم مرکز میں چار "بہن بھائی" سلیکون ایٹموں کے ساتھ الیکٹران شیئر کرتا ہے۔

ایک دن، ایک طبیعیات دان کو اچانک خیال آیا: اگر سلیکون اپنے "بہن بھائی" ایٹموں کے ساتھ الیکٹران کا اشتراک نہیں کرتا اور دوسرے "بہن بھائیوں" کو گروپ میں مدعو کرتا ہے؟

ایک دن، ماہر طبیعیات نے آرسینک کو گروپ میں شامل ہونے کی دعوت دی، اور پھر ایک معجزہ ہوا:

آرسینک "سائبلنگ" کے بیرونی خول میں 5 الیکٹران ہوتے ہیں، جس میں 4 الیکٹران سلکان ایٹموں کے ساتھ بانڈ بناتے ہیں، جس سے ایک الیکٹران جوڑا نہیں ہوتا ہے۔ یہ غیر جوڑا الیکٹران ایک آزاد ایجنٹ بن جاتا ہے، گھومتا پھرتا ہے اور اپنے چارج کی وجہ سے سلیکون کی چالکتا کو تبدیل کرتا ہے۔

سلکان فیملی کو ایک اضافی الیکٹران فراہم کرکے، آرسینک ایٹم کو ڈونر کے طور پر جانا جاتا ہے۔

سلیکون فیملی میں مفت الیکٹرانوں میں اضافے کے ساتھ، منفی چارج شدہ کیریئرز بڑھتے ہیں، جو سلیکون کو ایک این قسم کے سیمی کنڈکٹر میں تبدیل کرتے ہیں۔

اسے "N-type" کیوں کہا جاتا ہے؟ انگریزی میں، "منفی" منفی کو ظاہر کرتا ہے۔ اس لفظ کا پہلا حرف لینے سے ہمیں N ملتا ہے۔

اسی طرح، ماہر طبیعیات نے سوچا، اگر ہم اضافی الیکٹران کے ساتھ آرسینک ایٹم متعارف کروا سکتے ہیں، تو کیا ہم بوران ایٹموں کو بھی گروپ میں مدعو کر سکتے ہیں جن میں کم الیکٹران ہیں؟ لہذا ماہر طبیعیات نے بوران کے ایٹموں کو مکس میں لانے کا فیصلہ کیا کہ کیا ہوتا ہے۔

بوران ایٹم کے بیرونی خول میں صرف 3 الیکٹران ہونے کی وجہ سے، سلیکون سے ایک کم، ہر ہم آہنگی بانڈ جس میں اصل میں 2 الیکٹران کے جوڑے تھے اب صرف ایک جوڑے پر مشتمل ہے، جو ایک خلا کو پیچھے چھوڑتا ہے—ایک مثبت چارج شدہ سوراخ۔

اس مقام پر، سلکان پر مبنی سیمی کنڈکٹر کو پی قسم کے سیمی کنڈکٹر کے نام سے جانا جاتا ہے۔ اسی طرح، "P" انگریزی لفظ "Positive" کے پہلے حرف سے آتا ہے اور بوران ایٹم کو قبول کنندہ کہا جاتا ہے۔

یہ سنگل کرسٹل سلکان میں مختلف ایٹموں کا تعارف ہے جس کے نتیجے میں N-type اور P-type سیمک کنڈکٹرز بنتے ہیں۔

جب ہمارے پاس سنگل کرسٹل سلکان ہوتا ہے اور ہم اس کی سطح کو سلکان ڈائی آکسائیڈ میں آکسائڈائز کرنے کا راستہ تلاش کر سکتے ہیں، تو سلکان ڈائی آکسائیڈ ڈیوائس کے بہت سے ڈھانچے کے لیے ایک انسولیٹر کے طور پر کام کر سکتا ہے یا ڈیوائس فیبریکیشن کے عمل جیسے کہ بازی یا آئن امپلانٹیشن کے دوران ایک رکاوٹ پرت کے طور پر کام کر سکتا ہے۔

پی این جنکشن کے مینوفیکچرنگ کے عمل میں، سلکان ڈائی آکسائیڈ کی ایک پتلی پرت کو جنکشن کے علاقے کی وضاحت کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔

اس اسکیمیٹک ڈایاگرام پر ایک نظر ڈالیں: (a) ایک بے نقاب سلیکون ویفر دکھاتا ہے، جو آکسیڈیشن مرحلے کے لیے تیار ہے، جبکہ (b) آکسیڈائزڈ ویفر کی صرف اوپری تہہ کو ظاہر کرتا ہے۔

P-type اور N-type کے سیمی کنڈکٹرز کے نظریاتی علم کے ساتھ، ہم چیزوں کو ایک قدم آگے لے جا سکتے ہیں اور مطلوبہ پیٹرن بنانے کے لیے سلکان ڈائی آکسائیڈ کی سطح کو تبدیل کر سکتے ہیں، جیسے کہ بلی یا پھول کھینچنا۔

ویفر کی سطح کو تبدیل کرنے کا طریقہ فوٹو لیتھوگرافی کہلاتا ہے!

لیکن کیا فوٹو لیتھوگرافی کو جدید آلات کی ضرورت نہیں ہے؟ میں نے سنا ہے کہ وہ مشینیں واقعی متاثر کن ہیں... آئیے پہلے فوٹو لیتھوگرافی کے اصول کو سمجھیں:

ایک تیز رفتار اسپن کوٹر کا استعمال کرتے ہوئے، الٹرا وائلٹ (UV) روشنی کے لیے حساس مواد کی ایک تہہ جسے photoresist کہتے ہیں، چپ کی سطح پر کاتا جاتا ہے۔ اسپنر سے چپ کو ہٹانے کے بعد، اسے 80 ° C اور 100 ° C کے درمیان درجہ حرارت پر پکایا جاتا ہے تاکہ فوٹو ریزسٹ میں سالوینٹ کو باہر نکالا جائے اور اسے سخت کر دیا جائے، جس سے چپ کے ساتھ چپکنے میں اضافہ ہوتا ہے۔

اگلا، پیٹرن والے ماسک کے ذریعے چپ کو بے نقاب کرنے کے لیے یووی لائٹ سورس کا استعمال کیا جاتا ہے۔ اس کے بعد، غیر محفوظ سلکان ڈائی آکسائیڈ کی سطح کو ہٹانے کے لیے بفرڈ ہائیڈرو فلورک ایسڈ کو ایسڈ اینچنٹ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ آخر میں، کیمیکل سالوینٹ یا پلازما ایشنگ سسٹم کا استعمال کرتے ہوئے فوٹو ریزسٹ کو چھین لیا جاتا ہے۔

اسکیمیٹک ڈایاگرام پر ایک نظر ڈالیں: صرف (a) دکھایا گیا ہے۔

یہ عمل کسی حد تک مہر بنانے کے مترادف ہے۔ سب سے پہلے، ایک ماڈل کو روغن کے ساتھ پتھر پر پینٹ کیا جاتا ہے، پھر اسے ماڈل کے طول و عرض کے مطابق نقش کیا جاتا ہے. یہ بنیادی طور پر ایک ہی اصول ہے۔

جس طرح مہروں میں ابھرے ہوئے یا دوبارہ بنائے گئے ڈیزائن ہوسکتے ہیں، ویفرز کے ساتھ بھی اسی طرح سلوک کیا جاسکتا ہے۔ فوٹو ریزسٹ کے انتخاب پر منحصر ہے، یا تو مثبت یا منفی، کوئی اٹھائے ہوئے (مثبت) اور recessed (منفی) پیٹرن حاصل کرسکتا ہے۔ استعمال شدہ فوٹوریسٹس کو مثبت مزاحمت اور منفی مزاحمت کہا جاتا ہے۔

فوٹو لیتھوگرافی کے بعد، سلکان کی سطح بیرونی ماحول کے سامنے آتی ہے۔ اس کے بعد طبیعیات دان اس سلکان کی سطح میں دوسرے عناصر کو آئن امپلانٹیشن کے نام سے جانا جاتا عمل کے ذریعے متعارف کراتے ہیں۔

جب بوران (B) یا آرسینک (As) آئن لگائے جاتے ہیں، تو وہ سلیکون کی روایتی خصوصیات کو تبدیل کرتے ہیں، اس کی الیکٹرو کیمیکل خصوصیات کو تبدیل کرتے ہیں۔ اس مقام پر، سیمی کنڈکٹر کو ایک خارجی سیمی کنڈکٹر کہا جاتا ہے۔

P-type اور N-type سیمی کنڈکٹرز کے درمیان رابطے سے بننے والے جنکشن کو pn جنکشن کہتے ہیں!

ڈوپنگ مکمل ہونے کے بعد، اس سیمی کنڈکٹر کی کارکردگی کو نکالنے کی کوشش کی جاتی ہے۔ اس میں سیمی کنڈکٹر کی سطح کو میٹالائز کرنا شامل ہے، جس میں اوہمک رابطہ اور آپس میں جڑنے کے مراحل شامل ہیں جس کے بعد میٹلائزیشن کے عمل میں مکمل کیا گیا ہے۔ دھاتی پتلی فلمیں جسمانی بخارات جمع (PVD) یا کیمیائی بخارات جمع (CVD) کا استعمال کرتے ہوئے بنائی جا سکتی ہیں۔

میٹالائزیشن کی تکمیل کے ساتھ، pn جنکشن اب کام کر سکتا ہے!

یہ سب سیمی کنڈکٹر کے بنیادی علم کے لیے ہے!

پچھلا

Slkor مائیکرو سیمی کنڈکٹر نے Thyristor ہیٹنگ ڈیوائس کے لیے نئے یوٹیلٹی ماڈل پیٹنٹ کی منظوری دے دی

اگلے

20 مشہور ماڈلز مفت میں پیش کرتا ہے - Slkor گھریلو متبادل کے لیے لمحہ فکریہ