अर्धचालक के बारे में सब कुछ

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2024-03-20 2515

सेमीकंडक्टर हाल के वर्षों में राष्ट्रीय विकास का एक प्रमुख उद्योग रहा है। इसलिए अर्धचालक वास्तव में क्या हैं?

दैनिक जीवन में, सभी वस्तुओं को उनकी विद्युत चालकता के आधार पर मोटे तौर पर तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: कंडक्टर, अर्धचालक और इन्सुलेटर।

इसे समझना आसान है; वस्तुएँ या तो बिजली का संचालन करती हैं, बिजली का संचालन नहीं करती हैं, या थोड़ा सा संचालन करती हैं। यह वास्तव में ये सामग्रियां हैं जो अस्पष्ट हैं और आंशिक चालकता प्रदर्शित करती हैं जो भौतिकविदों को अन्वेषण के विभिन्न अवसर प्रदान करती हैं।

ऐसी सामग्रियाँ जो पूरी तरह से प्रवाहकीय या गैर-प्रवाहकीय हैं, बहुत सार्थक नहीं हैं; यह वे पदार्थ हैं जिनकी चालकता विभिन्न परिस्थितियों में बदलती है जो दिलचस्प हैं।

आइए अधिक सहज समझ के लिए एक आरेख के माध्यम से सामग्रियों की विद्युत चालकता पर एक नज़र डालें।

उनकी विद्युत चालकता के अनुसार:

इन्सुलेटर: कम विद्युत चालकता के साथ, लगभग 20^-18S/cm से 10^-8S/cm तक, जैसे पिघला हुआ क्वार्ट्ज और ग्लास।

कंडक्टर: उच्च विद्युत चालकता के साथ, 10^4S/cm से 10^6S/cm तक, जैसे एल्यूमीनियम और चांदी जैसी धातुएँ।

अर्धचालक: विद्युत चालकता इंसुलेटर और कंडक्टर के बीच होती है।

प्रकृति में पाए जाने वाले सामान्य मौलिक अर्धचालकों में सिलिकॉन और जर्मेनियम शामिल हैं। ऐसा कहा जाता है कि जर्मेनियम-आधारित अर्धचालकों की खोज और उपयोग सिलिकॉन-आधारित अर्धचालकों से भी पहले किया गया था, लेकिन सिलिकॉन का प्राकृतिक लाभ इसकी सामर्थ्य है। प्रकृति में सामान्य रेत में बड़ी मात्रा में सिलिकॉन होता है, आप जानते हैं!

भले ही प्रकृति में बहुत अधिक सिलिका रेत है, इसमें बहुत अधिक अशुद्धियाँ और दोष हैं, इसलिए इसका सीधे उपयोग नहीं किया जा सकता है और इसे परिष्कृत करने की आवश्यकता है।

हम इसे कैसे परिष्कृत करें? एक शब्द में - जलाओ!

ठीक वैसे ही जैसे हमने जूनियर हाई स्कूल रसायन विज्ञान में सीखा, हम ऑक्सीकरण-कमी प्रतिक्रियाएं करते हैं।

SiC + SiO2 → Si (ठोस) + SiO2 (गैस) + CO (गैस)
Si (ठोस) + 3HC → SiHCl3 (गैस) + H2 (गैस)
SiHCl3 (गैस) + H2 (गैस) → Si (ठोस) + 3HCl (गैस)

तीन उच्च तापमान रासायनिक प्रतिक्रियाओं के बाद, हम ठोस सिलिकॉन प्राप्त करते हैं, लेकिन इस बिंदु पर, सिलिकॉन पॉलीक्रिस्टलाइन है।

पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन क्या है?

ठीक उसी तरह जैसे जब हम एक संतरे को छीलते हैं, तो अंदर कई खंड (पॉलीक्रिस्टलाइन खंड) होते हैं, और प्रत्येक खंड का स्वाद अलग-अलग होता है (क्रिस्टल ओरिएंटेशन)। हमें सर्वोत्तम स्वाद वाले खंड का चयन करना होगा और इसे अपने आप बढ़ने देना होगा!

एक छोटे एकल क्रिस्टल को व्यक्तिगत रूप से कैसे विकसित करें?

भौतिक विज्ञानी वास्तव में चतुर हैं, उन्होंने एकल क्रिस्टल को विकसित करने के लिए एक विधि का आविष्कार किया है जिसे कज़ोक्रालस्की विधि कहा जाता है, संभवतः इसका नाम उस वैज्ञानिक के नाम पर रखा गया है जिसने इसे विकसित किया था।

इस प्रक्रिया के लिए एक सहज उद्योग शब्द भी है, जिसे ब्रिजमैन विधि के नाम से जाना जाता है!

क्योंकि जब एकल क्रिस्टल बढ़ते हैं, तो यह छोटे क्रिस्टल को ऊपर की ओर खींचने जैसा होता है! खींचने की गति थोड़ी धीमी है. इस डिवाइस पर एक नज़र डालें:

छवि में नीली बेलनाकार छड़ एक एकल क्रिस्टल सिलिकॉन है। खींचने की प्रक्रिया के दौरान, ऊपर की ओर खींचे जाने पर यह घूमता है, जिसके परिणामस्वरूप ब्रिजमैन विधि द्वारा एक बेलनाकार पिंड विकसित होता है।

फिर बड़े हुए पिंड को यांत्रिक ब्लेड का उपयोग करके डिस्क के आकार के टुकड़ों में काट दिया जाता है, जिसे हम वेफर्स कहते हैं।

क्या यह प्रक्रिया आपको परिचित लगती है?

इस प्रकार वेफर्स का उत्पादन किया जाता है।

हालाँकि अब हमारे पास वेफर्स हैं, इस स्तर पर, एकल क्रिस्टल सिलिकॉन के इलेक्ट्रोकेमिकल गुण चिप्स बनाने में सीधे उपयोग के लिए पर्याप्त नहीं हैं। इसके बाद इंजीनियर एकल क्रिस्टल सिलिकॉन के विद्युत रासायनिक गुणों को संशोधित करने पर काम करते हैं।

वे एकल क्रिस्टल सिलिकॉन को कैसे संशोधित करते हैं?

सबसे पहले, आइए सिलिकॉन तत्व की कुछ समझ को समझें। आवर्त सारणी में सिलिकॉन 14वें स्थान पर है। एक सिलिकॉन परमाणु के बाहरी आवरण में चार इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिन्हें वह चार पड़ोसी परमाणुओं के साथ साझा करता है, जिससे साझा इलेक्ट्रॉनों के चार जोड़े बनते हैं। साझा इलेक्ट्रॉन युग्मों की इस संरचना को सहसंयोजक बंधन के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रॉनों का प्रत्येक जोड़ा एक सहसंयोजक बंधन बनाता है।

आपने मिडिल स्कूल रसायन शास्त्र में इस भाग के बारे में सीखा होगा। आइए अधिक दृश्य समझ के लिए एक चित्र देखें:

बाईं छवि एकल क्रिस्टल सिलिकॉन की क्रिस्टल संरचना को दिखाती है, जो हीरे के क्रिस्टल की संरचना से मिलती जुलती है। दाईं ओर, हमारे पास इलेक्ट्रॉनों को साझा करने वाले सिलिकॉन परमाणुओं का एक चित्रण है, केंद्र में एक सिलिकॉन परमाणु चार "भाई" सिलिकॉन परमाणुओं के साथ इलेक्ट्रॉनों को साझा करता है।

एक दिन, एक भौतिक विज्ञानी के मन में अचानक विचार आया: क्या होगा यदि सिलिकॉन अपने "भाई" परमाणुओं के साथ इलेक्ट्रॉनों को साझा नहीं करता और अन्य "भाई-बहनों" को समूह में आमंत्रित करता?

एक दिन, भौतिक विज्ञानी ने आर्सेनिक को समूह में शामिल होने के लिए आमंत्रित किया, और फिर एक चमत्कार हुआ:

आर्सेनिक "सिबलिंग" के बाहरी आवरण में 5 इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिनमें से 4 इलेक्ट्रॉन सिलिकॉन परमाणुओं के साथ बंधन बनाते हैं, जिससे एक इलेक्ट्रॉन अयुग्मित रह जाता है। यह अयुग्मित इलेक्ट्रॉन एक स्वतंत्र एजेंट बन जाता है, चारों ओर घूमता है और अपने चार्ज के कारण सिलिकॉन की चालकता को बदल देता है।

सिलिकॉन परिवार को एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन प्रदान करके, आर्सेनिक परमाणु को दाता के रूप में जाना जाता है।

सिलिकॉन परिवार में मुक्त इलेक्ट्रॉनों में वृद्धि के साथ, नकारात्मक चार्ज वाहक बढ़ते हैं, जो सिलिकॉन को एन-प्रकार अर्धचालक में बदल देते हैं।

इसे "एन-टाइप" क्यों कहा जाता है? अंग्रेजी में, "नकारात्मक" नकारात्मक का प्रतिनिधित्व करता है। इस शब्द का पहला अक्षर लेने पर हमें N प्राप्त होता है।

इसी तरह, भौतिक विज्ञानी ने सोचा, यदि हम अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों के साथ आर्सेनिक परमाणुओं को पेश कर सकते हैं, तो क्या हम कम इलेक्ट्रॉनों वाले बोरॉन परमाणुओं को भी समूह में आमंत्रित कर सकते हैं? इसलिए भौतिक विज्ञानी ने यह देखने के लिए कि क्या होता है, बोरान परमाणुओं को मिश्रण में लाने का निर्णय लिया।

बोरॉन परमाणु के बाहरी आवरण में केवल 3 इलेक्ट्रॉन होने के कारण, सिलिकॉन से एक कम, प्रत्येक सहसंयोजक बंधन जिसमें मूल रूप से 2 इलेक्ट्रॉन जोड़े होते थे, अब केवल एक जोड़ा होता है, जो एक अंतर को पीछे छोड़ देता है - एक सकारात्मक चार्ज छेद।

इस बिंदु पर, सिलिकॉन-आधारित अर्धचालक को पी-प्रकार अर्धचालक के रूप में जाना जाता है। इसी प्रकार, "पी" अंग्रेजी शब्द "पॉजिटिव" के पहले अक्षर से आया है और बोरॉन परमाणु को स्वीकर्ता के रूप में जाना जाता है।

यह एकल क्रिस्टल सिलिकॉन में विभिन्न परमाणुओं का परिचय है जिसके परिणामस्वरूप एन-प्रकार और पी-प्रकार अर्धचालक का निर्माण होता है।

जब हमारे पास एकल क्रिस्टल सिलिकॉन होता है और हम इसकी सतह को सिलिकॉन डाइऑक्साइड में ऑक्सीकरण करने का एक तरीका ढूंढ सकते हैं, तो सिलिकॉन डाइऑक्साइड कई डिवाइस संरचनाओं के लिए एक इन्सुलेटर के रूप में काम कर सकता है या डिवाइस निर्माण प्रक्रियाओं जैसे प्रसार या आयन आरोपण के दौरान बाधा परत के रूप में कार्य कर सकता है।

पीएन जंक्शन की निर्माण प्रक्रिया में, जंक्शन के क्षेत्र को परिभाषित करने के लिए सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक पतली परत का उपयोग किया जा सकता है।

इस योजनाबद्ध आरेख पर एक नज़र डालें: (ए) एक खुला सिलिकॉन वेफर दिखाता है, जो ऑक्सीकरण चरण के लिए तैयार है, जबकि (बी) ऑक्सीकृत वेफर की केवल शीर्ष परत को दर्शाता है।

पी-प्रकार और एन-प्रकार अर्धचालकों के सैद्धांतिक ज्ञान के साथ, हम चीजों को एक कदम आगे ले जा सकते हैं और वांछित पैटर्न बनाने के लिए सिलिकॉन डाइऑक्साइड की सतह को संशोधित कर सकते हैं, जैसे कि बिल्ली या फूल का चित्र बनाना।

वेफर सतह को संशोधित करने की विधि को फोटोलिथोग्राफी कहा जाता है!

लेकिन क्या फोटोलिथोग्राफी के लिए उन्नत उपकरणों की आवश्यकता नहीं है? मैंने सुना है कि वे मशीनें सचमुच प्रभावशाली हैं... आइए पहले फोटोलिथोग्राफी के सिद्धांत को समझें:

हाई-स्पीड स्पिन कोटर का उपयोग करके, पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश-संवेदनशील सामग्री की एक परत जिसे फोटोरेसिस्ट कहा जाता है, चिप की सतह पर घूमती है। स्पिनर से चिप को हटाने के बाद, इसे 80°C और 100°C के बीच के तापमान पर पकाया जाता है ताकि फोटोरेसिस्ट में मौजूद विलायक निकल जाए और यह सख्त हो जाए, जिससे चिप के साथ इसका आसंजन बढ़ जाए।

इसके बाद, एक पैटर्न वाले मास्क के माध्यम से चिप को उजागर करने के लिए एक यूवी प्रकाश स्रोत का उपयोग किया जाता है। फिर, असुरक्षित सिलिकॉन डाइऑक्साइड सतह को हटाने के लिए बफर्ड हाइड्रोफ्लोरिक एसिड का उपयोग एसिड एटकेंट के रूप में किया जाता है। अंत में, रासायनिक विलायक या प्लाज़्मा एशिंग सिस्टम का उपयोग करके फोटोरेसिस्ट को हटा दिया जाता है।

योजनाबद्ध आरेख पर एक नज़र डालें: केवल (ए) दिखाया गया है।

यह प्रक्रिया कुछ हद तक सील बनाने के समान है। सबसे पहले, एक मॉडल को पत्थर पर रंगद्रव्य के साथ चित्रित किया जाता है, फिर इसे मॉडल के आयामों के अनुसार उकेरा जाता है। यह मूलतः वही सिद्धांत है।

जिस तरह सील में उभरे हुए या धंसे हुए डिज़ाइन हो सकते हैं, उसी तरह वेफर्स के साथ भी व्यवहार किया जा सकता है। फोटोरेसिस्ट की पसंद के आधार पर, चाहे वह सकारात्मक हो या नकारात्मक, कोई उभरे हुए (सकारात्मक) और धँसे हुए (नकारात्मक) पैटर्न प्राप्त कर सकता है। उपयोग किए गए फोटोरेसिस्ट को सकारात्मक प्रतिरोध और नकारात्मक प्रतिरोध के रूप में जाना जाता है।

फोटोलिथोग्राफी के बाद, सिलिकॉन सतह बाहरी वातावरण के संपर्क में आती है। फिर भौतिक विज्ञानी आयन इम्प्लांटेशन नामक प्रक्रिया के माध्यम से इस सिलिकॉन सतह में अन्य तत्वों को पेश करते हैं।

जब बोरॉन (बी) या आर्सेनिक (एएस) आयनों को प्रत्यारोपित किया जाता है, तो वे सिलिकॉन के पारंपरिक गुणों को बदल देते हैं, इसकी विद्युत रासायनिक विशेषताओं को बदल देते हैं। इस बिंदु पर, अर्धचालक को बाह्य अर्धचालक कहा जाता है।

पी-प्रकार और एन-प्रकार अर्धचालकों के बीच संपर्क से बनने वाले जंक्शन को पीएन जंक्शन कहा जाता है!

डोपिंग पूरी होने के बाद इस सेमीकंडक्टर की कार्यक्षमता निकालने का प्रयास किया जाता है। इसमें अर्धचालक सतह को धातुकृत करना शामिल है, जिसमें ओमिक संपर्क और इंटरकनेक्ट सहित चरण बाद की धातुकरण प्रक्रिया में पूरे होते हैं। भौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी) या रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) का उपयोग करके धातु की पतली फिल्में बनाई जा सकती हैं।

धातुकरण के पूरा होने के साथ, पीएन जंक्शन अब कार्य कर सकता है!

बुनियादी अर्धचालक ज्ञान के लिए बस इतना ही!

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