Todo lo relacionado con un semiconductor

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2024-03-20 2515

Los semiconductores han sido una industria clave del desarrollo nacional en los últimos años. Entonces ¿Qué son exactamente los semiconductores?

En la vida diaria, todos los objetos se pueden clasificar aproximadamente según su conductividad eléctrica en tres categorías: conductores, semiconductores y aislantes.

Esto es facil de entender; Los objetos conducen electricidad, no conducen electricidad o conducen un poco. Son precisamente estos materiales que son ambiguos y exhiben una conductividad parcial los que brindan a los físicos diferentes oportunidades de exploración.

Los materiales que son puramente conductores o no conductores no son muy significativos; lo interesante son las sustancias cuya conductividad cambia en diferentes condiciones.

Echemos un vistazo a la conductividad eléctrica de los materiales a través de un diagrama para una comprensión más intuitiva.

Según su conductividad eléctrica:

Aisladores: de baja conductividad eléctrica, que oscila aproximadamente entre 20^-18S/cm y 10^-8S/cm, como el cuarzo fundido y el vidrio.

Conductores: con una conductividad eléctrica más alta, que va desde 10^4S/cm hasta 10^6S/cm, como metales como el aluminio y la plata.

Semiconductores: cuya conductividad eléctrica se sitúa entre la de los aisladores y la de los conductores.

Los semiconductores elementales comunes que se encuentran en la naturaleza incluyen el silicio y el germanio. Se dice que los semiconductores basados en germanio se descubrieron y utilizaron incluso antes que los basados en silicio, pero la ventaja natural del silicio es su asequibilidad. La arena común en la naturaleza contiene una gran cantidad de silicio, ¿sabes?

Aunque hay mucha arena de sílice en la naturaleza, contiene demasiadas impurezas y defectos, por lo que no se puede utilizar directamente y es necesario refinarla.

¿Cómo lo refinamos? En una palabra: ¡quemar!

Tal como aprendimos en química en la escuela secundaria, llevamos a cabo reacciones de oxidación-reducción.

SiC + SiO2 → Si (sólido) + SiO2 (gas) + CO (gas)
Si (sólido) + 3HC → SiHCl3 (gas) + H2 (gas)
SiHCl3 (gas) + H2 (gas) → Si (sólido) + 3HCl (gas)

Después de tres reacciones químicas a alta temperatura, obtenemos silicio sólido, pero en este punto el silicio es policristalino.

¿Qué es el silicio policristalino?

Al igual que cuando pelamos una naranja, en su interior hay muchos gajos (gajos policristalinos), y cada gajo tiene un sabor diferente (orientación del cristal). ¡Necesitamos seleccionar el segmento con mejor sabor y dejarlo crecer por sí solo!

¿Cómo hacer que un pequeño monocristal crezca individualmente?

Los físicos son realmente inteligentes e inventaron un método para cultivar cristales individuales llamado método Czochralski, posiblemente llamado así en honor al científico que lo desarrolló.

También existe un término industrial intuitivo para este proceso, conocido como método Bridgman.

¡Porque cuando se cultivan cristales individuales, es como tirar de los cristales pequeños hacia arriba! La velocidad de tracción es un poco lenta. Echa un vistazo a este dispositivo:

La varilla cilíndrica azul de la imagen es un silicio monocristalino. Durante el proceso de extracción, gira mientras se tira hacia arriba, lo que da como resultado un lingote cilíndrico cultivado mediante el método Bridgman.

Luego, el lingote crecido se corta en trozos en forma de disco utilizando cuchillas mecánicas, formando lo que llamamos obleas.

¿Te suena este proceso?

Así se producen las obleas.

Aunque ahora tenemos las obleas, en esta etapa las propiedades electroquímicas del silicio monocristalino no son suficientes para su uso directo en la fabricación de chips. Luego, los ingenieros trabajan para modificar las propiedades electroquímicas del silicio monocristalino.

¿Cómo modifican el silicio monocristalino?

Primero, profundicemos en la comprensión del elemento silicio. En la tabla periódica, el silicio ocupa el puesto 14. Un átomo de silicio tiene cuatro electrones en su capa exterior, que comparte con cuatro átomos vecinos, formando cuatro pares de electrones compartidos. Esta estructura de pares de electrones compartidos se conoce como enlace covalente. Cada par de electrones forma un enlace covalente.

Es posible que hayas aprendido sobre esta parte en química de la escuela secundaria. Echemos un vistazo a una imagen para una comprensión más visual:

La imagen de la izquierda muestra la estructura cristalina del silicio monocristalino, que se asemeja a la estructura de un cristal de diamante. A la derecha, tenemos una representación de átomos de silicio que comparten electrones, con un átomo de silicio en el centro compartiendo electrones con cuatro átomos de silicio "hermanos".

Un día, un físico tuvo una idea repentina: ¿Qué pasaría si el silicio no compartiera electrones con sus átomos "hermanos" e invitara a otros "hermanos" al grupo?

Un día, el físico invitó a Arsénico a unirse al grupo, y entonces ocurrió un milagro:

El "hermano" del arsénico tiene 5 electrones en su capa exterior, de los cuales 4 electrones forman enlaces con átomos de silicio, dejando un electrón desapareado. Este electrón desapareado se convierte en un agente libre, deambulando y alterando la conductividad del silicio debido a su carga.

Al proporcionar un electrón adicional a la familia del silicio, el átomo de arsénico se conoce como donante.

Con el aumento de electrones libres en la familia del silicio, aumentan los portadores cargados negativamente, transformando el silicio en un semiconductor de tipo n.

¿Por qué se llama "tipo N"? En inglés, "Negative" representa negativo. Tomando la primera letra de esta palabra nos da N.

De manera similar, el físico pensó, si podemos introducir átomos de arsénico con electrones adicionales, ¿podemos también invitar al grupo átomos de boro con menos electrones? Entonces el físico decidió incorporar átomos de boro a la mezcla para ver qué pasaba.

Debido a que el átomo de boro tiene solo 3 electrones en su capa exterior, uno menos que el silicio, cada enlace covalente que originalmente tenía 2 pares de electrones ahora consta de un solo par, dejando un espacio: un agujero cargado positivamente.

En este punto, el semiconductor basado en silicio se conoce como semiconductor tipo p. De manera similar, "P" proviene de la primera letra de la palabra inglesa "Positive" y el átomo de boro se denomina aceptor.

Es la introducción de diferentes átomos en el silicio monocristalino lo que da como resultado la formación de semiconductores de tipo N y tipo P.

Cuando tengamos silicio monocristalino y podamos encontrar una manera de oxidar su superficie en dióxido de silicio, el dióxido de silicio puede servir como aislante para muchas estructuras de dispositivos o actuar como una capa de barrera durante los procesos de fabricación del dispositivo, como la difusión o la implantación de iones.

En el proceso de fabricación de una unión pn, se puede utilizar una fina capa de dióxido de silicio para definir la región de la unión.

Mire este diagrama esquemático: (a) muestra una oblea de silicio descubierta, lista para el paso de oxidación, mientras que (b) representa solo la capa superior de la oblea oxidada.

Con el conocimiento teórico de los semiconductores tipo P y tipo N, podemos ir un paso más allá y modificar la superficie del dióxido de silicio para crear los patrones deseados, como dibujar un gato o una flor.

¡El método para modificar la superficie de la oblea se llama fotolitografía!

¿Pero la fotolitografía no requiere equipos avanzados? Escuché que esas máquinas son realmente impresionantes... Primero comprendamos el principio de la fotolitografía:

Utilizando un recubridor giratorio de alta velocidad, se hace girar una capa de material sensible a la luz ultravioleta (UV) llamado fotorresistente sobre la superficie del chip. Después de retirar el chip del girador, se hornea a una temperatura de entre 80 °C y 100 °C para eliminar el disolvente del fotorresistente y endurecerlo, mejorando su adhesión al chip.

A continuación, se utiliza una fuente de luz ultravioleta para exponer el chip a través de una máscara estampada. Luego, se utiliza ácido fluorhídrico tamponado como agente decapante ácido para eliminar la superficie de dióxido de silicio desprotegida. Finalmente, el fotorresistente se elimina utilizando un disolvente químico o un sistema de incineración de plasma.

Eche un vistazo al diagrama esquemático: solo se muestra (a).

El proceso es algo parecido a hacer un sello. Primero, se pinta un modelo sobre una piedra con pigmento, luego se talla según las dimensiones del modelo. Es esencialmente el mismo principio.

Así como los sellos pueden tener diseños elevados o empotrados, las obleas también pueden tratarse de manera similar. Dependiendo de la elección del fotorresistente, ya sea positivo o negativo, se pueden lograr patrones elevados (positivos) y empotrados (negativos). Los fotoprotectores utilizados se denominan resist positivo y resist negativo.

Después de la fotolitografía, la superficie del silicio se expone al ambiente exterior. Luego, los físicos introducen otros elementos en esta superficie de silicio mediante un proceso conocido como implantación de iones.

Cuando se implantan iones de boro (B) o arsénico (As), se alteran las propiedades tradicionales del silicio, cambiando sus características electroquímicas. En este punto, el semiconductor se denomina semiconductor extrínseco.

La unión formada por el contacto entre semiconductores tipo P y tipo N se llama unión pn.

Una vez finalizado el dopaje, se realizan esfuerzos para extraer el rendimiento de este semiconductor. Esto implica metalizar la superficie del semiconductor, con pasos que incluyen el contacto óhmico y la interconexión completados en el proceso de metalización posterior. Las películas delgadas de metal se pueden formar mediante deposición física de vapor (PVD) o deposición química de vapor (CVD).

¡Con la finalización de la metalización, la unión pn ahora puede funcionar!

¡Eso es todo por los conocimientos básicos de semiconductores!

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