Silicijeve rezine so narejene iz enega kristala zelo čistega silicija, običajno z manj kot enim delom na milijardo onesnaževalcev. Postopek Czochralski je najpogostejša metoda za oblikovanje velikih kristalov te čistosti, ki vključuje vlečenje zarodnega kristala iz staljenega silicija, splošno znanega kot talina. Zarodni kristal se nato oblikuje v cilindrični ingot, znan kot bula.
Elementi, kot sta bor in fosfor, se lahko dodajo buli v natančnih količinah za nadzor električnih lastnosti rezine, na splošno z namenom, da postane polprevodnik n-tipa ali p-tipa. Bule nato narežejo na tanke rezine z žično žago, znano tudi kot žaga za oblate. Rezane rezine so lahko različno polirane.
Za kaj se uporablja silicijeva rezina?
Silicijeva rezina je tanka rezina kristalnega silicija, ki se običajno uporablja v elektronski industriji. Silicij se uporablja v ta namen, ker je polprevodnik, kar pomeni, da ni niti močan prevodnik niti močan izolator električne energije. Zaradi njegovega naravnega številčnosti in drugih lastnosti je silicij za izdelavo rezin na splošno bolj primeren kot drugi polprevodniki, kot je germanij.
Najpogostejše dimenzije silicijevih rezin so odvisne od njihove uporabe. Rezine, ki se uporabljajo v IC, so okrogle s premeri, ki se običajno gibljejo od 100 do 300 milimetrov (mm). Debelina na splošno narašča s premerom in je običajno v območju od 525 do 775 mikronov (μm). Rezine v sončnih celicah so običajno kvadratne s stranicami, ki merijo od 100 do 200 mm. Njihova debelina je med 200 in 300 μm, čeprav naj bi se v bližnji prihodnosti standardizirala na 160 μm.
Integrirana vezja
IC, znan tudi kot mikročip ali samo čip, je niz elektronskih vezij, nameščenih v podlago iz polprevodniškega materiala. Monokristalni silicij je trenutno najpogostejši substrat za IC, čeprav se galijev arzenid uporablja v nekaterih aplikacijah, kot so brezžične komunikacijske naprave. Tudi rezine iz silicij-germanijevih zlitin se vedno bolj uporabljajo, običajno v aplikacijah, kjer je večja hitrost silicij-germanija vredna višjih stroškov.
IC se trenutno uporabljajo v večini elektronskih naprav, saj so praktično nadomestile ločene elektronske komponente. Njihova izdelava je manjša, hitrejša in cenejša od diskretnih komponent. Hitro sprejemanje IC-jev v elektronski industriji je tudi posledica modularne zasnove IC-jev, ki je zlahka primerna za množično proizvodnjo.
Ti sloji so razviti na podoben način kot običajne fotografije, le da se namesto vidne svetlobe uporablja ultravijolična svetloba, saj so valovne dolžine vidne svetlobe prevelike, da bi lahko ustvarile značilnosti s potrebno natančnostjo. Lastnosti sodobnih IC-jev so tako majhne, da morajo procesni inženirji uporabiti elektronske mikroskope, da jih odpravijo.
Izdelava IC
Avtomatizirana preskusna oprema (ATE) testira vsako rezino, preden jo uporabi za izdelavo IC, postopek, splošno znan kot sondiranje rezin ali testiranje rezin. Rezino nato razrežejo na pravokotne kose, znane kot matrice, in jih nato prek električno prevodnih žic, ki so običajno narejene iz zlata ali aluminija, povežejo z elektronskim paketom. Te žice so prilepljene na blazinice, ki so običajno nameščene okoli roba matrice, z uporabo ultrazvoka v procesu, imenovanem termozvočno lepljenje.
Nastale naprave so podvržene zadnjim fazam testiranja, ki običajno uporabljajo opremo za skeniranje ATE in industrijsko računalniško tomografijo (CT). Relativni stroški testiranja se zelo razlikujejo glede na donos, velikost in ceno naprave. Na primer, testiranje lahko predstavlja več kot 25 % skupnih stroškov izdelave poceni naprav, vendar je lahko praktično zanemarljivo za velike, drage naprave z nizkimi izkoristki.
Tehnike
Izdelava IC je zelo avtomatiziran proces, ki uporablja številne posebne tehnike. Te zmogljivosti povzročajo visoke stroške gradnje proizvodnega obrata, ki lahko od leta 2016 presežejo 8 milijard USD. Pričakuje se, da se bodo ti stroški povečali veliko hitreje kot inflacija zaradi nenehne potrebe po večji avtomatizaciji.
Trend k manjšim tranzistorjem se bo nadaljeval v bližnji prihodnosti, pri čemer bo 14 nm najsodobnejši leta 2016. Proizvajalci IC, kot so Intel, Samsung, Global Foundries in TSMC, naj bi začeli s prehodom na 10 nm tranzistorje do konca leta 2017. .
Velike rezine zagotavljajo ekonomijo obsega, kar zmanjša skupne stroške IC. Največje komercialno dostopne rezine imajo premer 300 mm, pri čemer se pričakuje, da bo naslednja največja velikost 450 mm. Vendar še vedno obstajajo precejšnji tehnični izzivi za izdelavo rezin te velikosti.
Dodatne tehnike, ki se uporabljajo pri izdelavi IC, vključujejo tranzistorje s tremi vrati, ki jih Intel izdeluje s širino 22 nm od leta 2011. IBM uporablja postopek, znan kot napet silicij neposredno na izolatorju (SSDOI), ki odstrani plast silicija in germanija iz oblat.
Baker nadomešča aluminijaste medsebojne povezave v IC, predvsem zaradi svoje večje električne prevodnosti. Dielektrični izolatorji z nizko vsebnostjo K in silicij na izolatorjih (SOI) so prav tako napredne proizvodne tehnike za IC.
Drugi viri o polprevodnikih
Osnovni izrazi in definicije rezin
Rezanje Si rezin zunaj osi
Obarjanje kisika v siliciju
Lastnosti stekla v povezavi z uporabo silicija
Vodnik po specifikacijah SEMI za rezine Si
Mokro-kemično jedkanje in čiščenje silicija
Sončne celice
Sončna celica uporablja fotonapetostni učinek za pretvorbo svetlobne energije v električno energijo, kar na splošno vključuje absorpcijo svetlobe s strani nekega materiala za vzbujanje elektronov v višje energijsko stanje. To je vrsta fotoelektrične celice, naprave, ki spremeni svoje električne lastnosti, ko je izpostavljena svetlobi. Sončne celice lahko uporabljajo svetlobo iz katerega koli vira, čeprav izraz "sončni" pomeni, da potrebujejo sončno svetlobo.
Proizvodnja električne energije kot vira energije je ena najbolj znanih aplikacij sončnih celic. Te vrste sončnih celic uporabljajo vir svetlobe za polnjenje baterije, ki se lahko uporablja za napajanje električne naprave.
Sončne celice so pogosto integrirane v napravo, ki naj bi jo napajale. Na primer, luči na sončno energijo, ki so običajno na voljo v trgovinah z opremo za dom, uporabljajo sončne celice za polnjenje baterije čez dan. Ponoči baterija napaja senzor gibanja, ki prižge luč, ko zazna gibanje.
Sončne celice lahko razvrstimo v tipe prve, druge in tretje generacije. Celice prve generacije so sestavljene iz kristalnega silicija, vključno z monokristalnim silicijem in polisilicijem. Trenutno so najpogostejši tip sončnih celic. Celice druge generacije uporabljajo tanek film, sestavljen iz amorfnega silicija, in se običajno uporabljajo v komercialnih elektrarnah. Sončne celice tretje generacije uporabljajo tanek film, razvit z različnimi nastajajočimi tehnologijami in imajo trenutno omejeno komercialno uporabo.
Izdelava sončnih celic
Velika večina sončnih celic prve generacije je sestavljena iz kristalnega silicija, čeprav sta njegova strukturna kakovost in čistost daleč pod tistimi, ki se uporabljajo v IC. Monokristalni silicij pretvarja svetlobo v elektriko učinkoviteje kot polisilicij, vendar je monokristalni silicij tudi dražji.
Oblate razrežemo na kvadrate, tako da nastanejo posamezne celice, njihove vogale pa strižemo v osmerokotnike. Ta oblika daje solarnim kolektorjem značilen diamantni videz. Celice, ki sestavljajo sončno ploščo, morajo biti vse usmerjene vzdolž iste ravnine, da se poveča učinkovitost pretvorbe. Plošče so običajno prekrite s stekleno ploščo na strani, ki je obrnjena proti soncu, da zaščiti rezine.
Sončne celice so lahko povezane zaporedno ali vzporedno, odvisno od posebnih zahtev. Zaporedna povezava celic poveča njihovo napetost, medtem ko vzporedna povezava poveča tok. Glavna pomanjkljivost vzporednih nizov je, da lahko učinki sence povzročijo, da se zasenčeni nizi izklopijo, kar lahko povzroči, da osvetljeni nizi uporabijo obratno prednapetost za zasenčene nize. Ta učinek lahko povzroči znatno izgubo moči in celo poškodbe celic.
Najprimernejša rešitev za to težavo je zaporedno povezovanje nizov celic v module in uporaba sledilnikov maksimalne moči (MPPT) za obravnavo porabe energije nizov neodvisno drug od drugega. Vendar pa je module mogoče medsebojno povezati, da tvorijo niz z želenim obremenitvenim tokom in vršno napetostjo. Druga rešitev za težave, ki jih povzročajo senčni učinki, je uporaba shunt diod za zmanjšanje izgube moči.
Povečanje velikosti
Trend k večjim bulam v industriji polprevodnikov je povzročil povečanje velikosti sončnih celic. Sončni kolektorji, razviti v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, so sestavljeni iz celic s premerom med 50 in 100 mm. Plošče, izdelane v devetdesetih in dvajsetih letih prejšnjega stoletja, so običajno uporabljale rezine s premerom 125 mm, plošče, izdelane od leta 2008, pa imajo celice 156 mm.
Uporaba silicijevih rezin
Silicijeve rezine se najpogosteje uporabljajo kot podlaga za integrirana vezja (IC), čeprav so tudi glavna komponenta v fotovoltaičnih ali sončnih celicah. Osnovni postopek izdelave teh rezin je enak za obe aplikaciji, čeprav so zahteve glede kakovosti veliko višje za rezine, ki se uporabljajo v IC. Te rezine so podvržene tudi dodatnim korakom, kot so ionska implantacija, jedkanje in fotolitografsko vzorčenje, ki niso potrebni za sončne celice.
