همه چیز درباره نیمه هادی

صفحه اصلی اخبار مبانی الکترونیک همه چیز درباره نیمه هادی

2024-03-20 2515

نیمه هادی ها صنعت کلیدی توسعه ملی در سال های اخیر بوده اند. بنابراین نیمه هادی ها دقیقا چیست؟

در زندگی روزمره، تمام اجسام را می توان تقریباً بر اساس رسانایی الکتریکی به سه دسته رساناها، نیمه هادی ها و عایق ها طبقه بندی کرد.

این به راحتی قابل درک است. اجسام یا رسانای الکتریسیته هستند، یا الکتریسیته را رسانا نمی کنند، یا کمی رسانا می کنند. دقیقاً همین مواد مبهم هستند و رسانایی جزئی از خود نشان می دهند که فرصت های متفاوتی را برای اکتشاف در اختیار فیزیکدانان قرار می دهند.

موادی که صرفاً رسانا یا نارسانا هستند چندان معنی دار نیستند. این موادی هستند که رسانایی آنها در شرایط مختلف تغییر می کند که جالب هستند.

بیایید از طریق یک نمودار نگاهی به هدایت الکتریکی مواد بیندازیم تا درک بهتری داشته باشیم.

با توجه به هدایت الکتریکی آنها:

عایق ها: با رسانایی الکتریکی کم، تقریباً از 20^-18S/cm تا 10^-8S/cm، مانند کوارتز مذاب و شیشه.

رساناها: با رسانایی الکتریکی بالاتر، از 10^4S/cm تا 10^6S/cm، مانند فلزاتی مانند آلومینیوم و نقره.

نیمه هادی ها: با رسانایی الکتریکی بین عایق ها و هادی ها.

نیمه هادی های عنصری رایج که در طبیعت یافت می شوند عبارتند از سیلیکون و ژرمانیوم. گفته می شود که نیمه هادی های مبتنی بر ژرمانیوم حتی زودتر از نیمه هادی های مبتنی بر سیلیکون کشف و استفاده شده اند، اما مزیت طبیعی سیلیکون مقرون به صرفه بودن آن است. ماسه معمولی در طبیعت حاوی مقدار زیادی سیلیکون است، می دانید!

با وجود اینکه شن سیلیس در طبیعت زیاد است، اما حاوی ناخالصی ها و عیوب بسیار زیادی است، بنابراین نمی توان از آن به طور مستقیم استفاده کرد و نیاز به تصفیه دارد.

چگونه آن را اصلاح کنیم؟ در یک کلمه - بسوزان!

درست همانطور که در شیمی دبیرستان یاد گرفتیم، واکنش‌های کاهش اکسیداسیون را انجام می‌دهیم.

SiC + SiO2 → Si (جامد) + SiO2 (گاز) + CO (گاز)
Si (جامد) + 3HC → SiHCl3 (گاز) + H2 (گاز)
SiHCl3 (گاز) + H2 (گاز) → Si (جامد) + 3HCl (گاز)

پس از سه واکنش شیمیایی در دمای بالا، سیلیکون جامد به دست می آید، اما در این مرحله، سیلیکون چند کریستالی است.

سیلیکون پلی کریستالی چیست؟

درست مانند زمانی که یک پرتقال را پوست می کنیم، داخل آن بخش های زیادی وجود دارد (قطعات پلی کریستالی) و طعم هر قسمت متفاوت است (جهت کریستالی). ما باید بهترین بخش را انتخاب کنیم و اجازه دهیم خودش رشد کند!

چگونه یک تک کریستال کوچک را به صورت جداگانه رشد دهیم؟

فیزیکدانان واقعاً باهوش هستند و روشی را برای رشد تک بلورها به نام روش Czochralski اختراع کردند که احتمالاً به نام دانشمند سازنده آن نامگذاری شده است.

همچنین یک اصطلاح صنعتی بصری برای این فرآیند وجود دارد که به روش بریگمن معروف است!

زیرا هنگام رشد تک کریستال ها، مانند این است که کریستال های کوچک را به سمت بالا بکشید! سرعت کشش کمی کند است. نگاهی به این دستگاه بیندازید:

میله استوانه ای آبی رنگ در تصویر یک سیلیکون تک کریستالی است. در طول فرآیند کشیدن، در حالی که به سمت بالا کشیده می شود، می چرخد و در نتیجه یک شمش استوانه ای شکل به روش بریگمن رشد می کند.

سپس شمش رشد یافته با استفاده از تیغه های مکانیکی به قطعات دیسکی شکل بریده می شود و چیزی را که ما ویفر می نامیم تشکیل می دهد.

آیا این فرآیند برای شما آشنا به نظر می رسد؟

ویفر به این صورت تولید می شود.

اگرچه ما اکنون ویفرها را داریم، اما در این مرحله، خواص الکتروشیمیایی سیلیکون تک کریستال برای استفاده مستقیم در ساخت تراشه ها کافی نیست. مهندسان سپس بر روی اصلاح خواص الکتروشیمیایی سیلیکون تک کریستالی کار می کنند.

چگونه سیلیکون تک کریستال را اصلاح می کنند؟

ابتدا، بیایید به درک کمی از عنصر سیلیکون بپردازیم. در جدول تناوبی، سیلیکون در جایگاه چهاردهم قرار دارد. یک اتم سیلیکون دارای چهار الکترون در لایه بیرونی خود است که با چهار اتم همسایه مشترک است و چهار جفت الکترون مشترک را تشکیل می دهد. این ساختار از جفت های الکترون مشترک به عنوان پیوند کووالانسی شناخته می شود. هر جفت الکترون یک پیوند کووالانسی تشکیل می دهد.

ممکن است شما در مورد این بخش در شیمی دوره راهنمایی یاد گرفته باشید. بیایید برای درک بصری بیشتر به یک تصویر نگاه کنیم:

تصویر سمت چپ ساختار کریستالی سیلیکون تک کریستالی را نشان می دهد که شبیه ساختار یک کریستال الماس است. در سمت راست، ما تصویری از اتم‌های سیلیکون داریم که الکترون‌های مشترکی دارند، با یک اتم سیلیکون در مرکز که الکترون‌ها را با چهار اتم سیلیکون "خواهر برادر" به اشتراک می‌گذارد.

یک روز، یک فیزیکدان ناگهان ایده ای به ذهنش خطور کرد: اگر سیلیکون الکترون ها را با اتم های "خواهر و برادر" خود به اشتراک نمی گذاشت و سایر "خواهران و برادران" را به گروه دعوت نمی کرد، چه می شد؟

یک روز، فیزیکدان از آرسنیک دعوت کرد تا به گروه بپیوندد، و سپس معجزه ای رخ داد:

"خواهر و برادر" آرسنیک دارای 5 الکترون در لایه بیرونی خود است که 4 الکترون با اتم های سیلیکون پیوند تشکیل می دهند و یک الکترون جفت نشده باقی می ماند. این الکترون جفت نشده به یک عامل آزاد تبدیل می‌شود که در اطراف سرگردان است و رسانایی سیلیکون را به دلیل بار آن تغییر می‌دهد.

با ارائه یک الکترون اضافی به خانواده سیلیکون، اتم آرسنیک به عنوان دهنده شناخته می شود.

با افزایش الکترون های آزاد در خانواده سیلیکون، حامل های دارای بار منفی افزایش می یابد و سیلیکون را به نیمه هادی نوع n تبدیل می کند.

چرا به آن "نوع N" می گویند؟ در زبان انگلیسی، "منفی" نشان دهنده منفی است. گرفتن حرف اول این کلمه به ما N می دهد.

به طور مشابه، فیزیکدان فکر می کرد، اگر بتوانیم اتم های آرسنیک را با الکترون های اضافی معرفی کنیم، آیا می توانیم اتم های بور را نیز با الکترون های کمتر به گروه دعوت کنیم؟ بنابراین فیزیکدان تصمیم گرفت اتم های بور را به مخلوط بیاورد تا ببیند چه اتفاقی می افتد.

با توجه به اینکه اتم بور تنها 3 الکترون در لایه بیرونی خود دارد، یکی کمتر از سیلیکون، هر پیوند کووالانسی که در ابتدا 2 جفت الکترون داشت، اکنون فقط از یک جفت تشکیل شده است و یک شکاف را پشت سر می گذارد - یک سوراخ با بار مثبت.

در این مرحله، نیمه هادی مبتنی بر سیلیکون به عنوان نیمه هادی نوع p شناخته می شود. به طور مشابه، "P" از حرف اول کلمه انگلیسی "Positive" می آید و اتم بور به عنوان پذیرنده نامیده می شود.

ورود اتم های مختلف به سیلیکون تک کریستالی است که منجر به تشکیل نیمه هادی های نوع N و P می شود.

هنگامی که سیلیکون تک کریستالی داریم و می‌توانیم راهی برای اکسید کردن سطح آن به دی اکسید سیلیکون پیدا کنیم، دی اکسید سیلیکون می‌تواند به عنوان عایق برای بسیاری از ساختارهای دستگاه عمل کند یا به عنوان یک لایه مانع در طی فرآیندهای ساخت دستگاه مانند انتشار یا کاشت یون عمل کند.

در فرآیند ساخت یک اتصال pn، می توان از یک لایه نازک دی اکسید سیلیکون برای تعیین ناحیه اتصال استفاده کرد.

به این نمودار شماتیک نگاهی بیندازید: (الف) ویفر سیلیکونی بدون پوشش را نشان می‌دهد که برای مرحله اکسیداسیون آماده است، در حالی که (ب) تنها لایه بالایی ویفر اکسید شده را نشان می‌دهد.

با دانش تئوری نیمه هادی های نوع P و N، می توانیم یک گام جلوتر برویم و سطح دی اکسید سیلیکون را برای ایجاد الگوهای دلخواه، مانند کشیدن گربه یا گل، اصلاح کنیم.

روش اصلاح سطح ویفر را فوتولیتوگرافی می نامند!

اما آیا فوتولیتوگرافی به تجهیزات پیشرفته نیاز ندارد؟ من شنیدم که این ماشین ها واقعاً چشمگیر هستند ... بیایید ابتدا اصل فتولیتوگرافی را درک کنیم:

با استفاده از یک پوشش چرخشی با سرعت بالا، یک لایه از مواد حساس به نور ماوراء بنفش (UV) به نام مقاوم نور بر روی سطح تراشه چرخانده می شود. پس از خارج کردن تراشه از اسپینر، در دمای بین 80 تا 100 درجه سانتیگراد پخته می شود تا حلال موجود در مقاوم نوری را خارج کرده و سخت شود و چسبندگی آن به تراشه افزایش یابد.

در مرحله بعد، از یک منبع نور UV برای افشای تراشه از طریق یک ماسک طرح‌دار استفاده می‌شود. سپس، اسید هیدروفلوئوریک بافر شده به عنوان اچانت اسید برای حذف سطح دی اکسید سیلیکون محافظت نشده استفاده می شود. در نهایت، نور مقاوم با استفاده از یک حلال شیمیایی یا یک سیستم خاکستر پلاسما پاک می شود.

به نمودار شماتیک نگاه کنید: فقط (a) نشان داده شده است.

این فرآیند تا حدودی شبیه ساختن مهر و موم است. ابتدا یک ماکت با رنگدانه روی سنگ نقاشی می شود سپس بر اساس ابعاد مدل حک می شود. اساساً همان اصل است.

درست مانند مهر و موم که می تواند طرح های برجسته یا فرورفته داشته باشد، ویفر نیز می تواند به طور مشابه رفتار شود. بسته به انتخاب نور مقاوم، مثبت یا منفی، می توان به الگوهای برجسته (مثبت) و فرورفته (منفی) دست یافت. مقاومت نوری مورد استفاده به عنوان مقاومت مثبت و مقاومت منفی نامیده می شود.

پس از فوتولیتوگرافی، سطح سیلیکون در معرض محیط بیرون قرار می گیرد. سپس فیزیکدانان عناصر دیگری را از طریق فرآیندی به نام کاشت یون وارد این سطح سیلیکونی می کنند.

هنگامی که یون های بور (B) یا آرسنیک (As) کاشته می شوند، خواص سنتی سیلیکون را تغییر می دهند و ویژگی های الکتروشیمیایی آن را تغییر می دهند. در این مرحله، نیمه هادی را نیمه هادی بیرونی می نامند.

اتصالی که از تماس بین نیمه هادی های نوع P و نوع N ایجاد می شود، اتصال pn نامیده می شود!

پس از تکمیل دوپینگ، تلاش هایی برای استخراج عملکرد این نیمه هادی انجام می شود. این شامل فلزی کردن سطح نیمه هادی، با مراحلی از جمله تماس اهمی و اتصال متقابل در فرآیند متالیزاسیون بعدی است. لایه های نازک فلزی را می توان با استفاده از رسوب فیزیکی بخار (PVD) یا رسوب بخار شیمیایی (CVD) تشکیل داد.

با تکمیل متالیزاسیون، اتصال pn اکنون می تواند کار کند!

این همه برای دانش اولیه نیمه هادی است!

قبلی

شرکت Slkor Micro Semiconductor حق ثبت اختراع مدل کاربردی جدیدی برای دستگاه گرمایش تریستوری اعطا کرد.

بعدی

20 مدل محبوب را به صورت رایگان ارائه می‌دهد - Slkor از فرصت برای جایگزینی داخلی استفاده می‌کند