ทุกสิ่งทุกอย่างเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์

หน้าแรก ข่าว พื้นฐานอิเล็กทรอนิกส์ ทุกสิ่งทุกอย่างเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์

2024-03-20 2515

เซมิคอนดักเตอร์เป็นอุตสาหกรรมหลักในการพัฒนาประเทศในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ดังนั้น เซมิคอนดักเตอร์คืออะไรกันแน่?

ในชีวิตประจำวัน วัตถุทุกชนิดสามารถจำแนกคร่าวๆ ตามการนำไฟฟ้าได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ ตัวนำ สารกึ่งตัวนำ และฉนวน

นี่เป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจ วัตถุนำไฟฟ้า ไม่นำไฟฟ้า หรือนำไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย วัสดุเหล่านี้มีความคลุมเครือและมีค่าการนำไฟฟ้าบางส่วนซึ่งทำให้นักฟิสิกส์มีโอกาสที่แตกต่างกันในการสำรวจ

วัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าล้วนๆ หรือไม่สื่อกระแสไฟฟ้านั้นไม่มีความหมายมากนัก เป็นสารที่ค่าการนำไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปภายใต้สภาวะต่างๆ ที่น่าสนใจ

เรามาดูค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุผ่านแผนภาพเพื่อทำความเข้าใจได้ง่ายขึ้น

ตามค่าการนำไฟฟ้า:

ฉนวน: มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ ประมาณตั้งแต่ 20^-18S/cm ถึง 10^-8S/cm เช่น ควอตซ์หลอมเหลวและแก้ว

ตัวนำ: มีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่า ตั้งแต่ 10^4S/cm ถึง 10^6S/cm เช่น โลหะ เช่น อะลูมิเนียม และเงิน

สารกึ่งตัวนำ: โดยมีค่าการนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างฉนวนและตัวนำ

เซมิคอนดักเตอร์องค์ประกอบทั่วไปที่พบในธรรมชาติ ได้แก่ ซิลิคอนและเจอร์เมเนียม กล่าวกันว่าเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้เจอร์เมเนียมถูกค้นพบและใช้งานเร็วกว่าสารกึ่งตัวนำที่ใช้ซิลิคอน แต่ข้อดีตามธรรมชาติของซิลิคอนก็คือความสามารถในการจ่ายได้ ทรายทั่วไปในธรรมชาติมีซิลิคอนอยู่เป็นจำนวนมากรู้ไหม!

แม้ว่าทรายซิลิกาจะมีอยู่ในธรรมชาติเป็นจำนวนมาก แต่ก็มีสิ่งสกปรกและข้อบกพร่องมากเกินไป ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้โดยตรงได้และจำเป็นต้องได้รับการขัดเกลา

เราจะขัดเกลามันอย่างไร? บอกได้คำเดียวว่าเผา!

เช่นเดียวกับที่เราเรียนวิชาเคมีในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนต้น เราทำปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดิวซ์

SiC + SiO2 → Si (ของแข็ง) + SiO2 (แก๊ส) + CO (แก๊ส)
Si (ของแข็ง) + 3HC → SiHCl3 (แก๊ส) + H2 (แก๊ส)
SiHCl3 (แก๊ส) + H2 (แก๊ส) → Si (ของแข็ง) + 3HCl (แก๊ส)

หลังจากปฏิกิริยาเคมีที่อุณหภูมิสูงสามครั้ง เราจะได้ซิลิคอนที่เป็นของแข็ง แต่ ณ จุดนี้ ซิลิคอนจะเป็นโพลีคริสตัลไลน์

โพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอนคืออะไร?

เช่นเดียวกับเมื่อเราปอกส้ม ภายในมีหลายส่วน (ส่วนที่เป็นคริสตัลไลน์) และแต่ละส่วนจะมีรสชาติที่แตกต่างกัน (การวางแนวของคริสตัล) เราจำเป็นต้องเลือกส่วนที่รสชาติดีที่สุดและปล่อยให้มันเติบโตด้วยตัวเอง!

จะทำให้ผลึกเดี่ยวเล็กๆ เติบโตแยกจากกันได้อย่างไร?

นักฟิสิกส์ฉลาดจริงๆ โดยคิดค้นวิธีการปลูกผลึกเดี่ยวที่เรียกว่าวิธี Czochralski ซึ่งอาจตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ผู้พัฒนามันขึ้นมา

นอกจากนี้ยังมีคำศัพท์ทางอุตสาหกรรมที่เข้าใจง่ายสำหรับกระบวนการนี้ ซึ่งเรียกว่าวิธี Bridgman!

เพราะเมื่อปลูกผลึกเดี่ยวก็เหมือนดึงผลึกเล็กๆ ขึ้น! ความเร็วในการดึงค่อนข้างช้า ลองดูที่อุปกรณ์นี้:

แท่งทรงกระบอกสีน้ำเงินในภาพเป็นซิลิคอนผลึกเดี่ยว ในระหว่างกระบวนการดึง มันจะหมุนในขณะที่ถูกดึงขึ้น ส่งผลให้ได้แท่งโลหะทรงกระบอกที่เติบโตโดยวิธี Bridgman

จากนั้นนำแท่งโลหะที่โตแล้วมาหั่นเป็นชิ้นคล้ายดิสก์โดยใช้ใบมีดกล ทำให้เกิดเป็นแผ่นเวเฟอร์

กระบวนการนี้ฟังดูคุ้นเคยสำหรับคุณหรือไม่?

นั่นคือวิธีการผลิตเวเฟอร์

แม้ว่าตอนนี้เราจะมีเวเฟอร์แล้ว แต่ในขั้นตอนนี้ คุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของซิลิคอนผลึกเดี่ยวยังไม่เพียงพอสำหรับการใช้โดยตรงในการผลิตชิป วิศวกรจึงทำงานเพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของซิลิคอนผลึกเดี่ยว

พวกเขาจะปรับเปลี่ยนซิลิกอนผลึกเดี่ยวได้อย่างไร?

ก่อนอื่น เรามาเจาะลึกความเข้าใจเกี่ยวกับองค์ประกอบซิลิกอนกันก่อน ในตารางธาตุ ซิลิคอนอยู่ในอันดับที่ 14 อะตอมของซิลิคอนมีอิเล็กตรอน XNUMX ตัวในเปลือกนอก ซึ่งอะตอมนั้นใช้ร่วมกับอะตอมข้างเคียง XNUMX อะตอม ทำให้เกิดเป็นอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน XNUMX คู่ โครงสร้างของคู่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันนี้เรียกว่าพันธะโควาเลนต์ อิเล็กตรอนแต่ละคู่ก่อให้เกิดพันธะโควาเลนต์

คุณอาจได้เรียนรู้เกี่ยวกับส่วนนี้ในวิชาเคมีของโรงเรียนมัธยมต้นแล้ว ลองมาดูภาพเพื่อทำความเข้าใจภาพเพิ่มเติม:

ภาพด้านซ้ายแสดงโครงสร้างผลึกของซิลิคอนผลึกเดี่ยวซึ่งมีลักษณะคล้ายโครงสร้างของผลึกเพชร ทางด้านขวา เรามีภาพอะตอมของซิลิคอนที่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน โดยมีอะตอมของซิลิคอนหนึ่งอะตอมอยู่ตรงกลางของอะตอมที่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน โดยมีอะตอมของซิลิคอน "พี่น้อง" สี่อะตอม

วันหนึ่ง นักฟิสิกส์เกิดความคิดกะทันหัน: จะเกิดอะไรขึ้นถ้าซิลิคอนไม่ได้ใช้อิเล็กตรอนร่วมกับอะตอม "พี่น้อง" ของมัน และเชิญ "พี่น้อง" คนอื่นๆ เข้ามาในกลุ่มล่ะ

วันหนึ่ง นักฟิสิกส์ได้เชิญสารหนูเข้าร่วมกลุ่ม แล้วปาฏิหาริย์ก็เกิดขึ้น:

สารหนู "พี่น้อง" มีอิเล็กตรอน 5 ตัวในเปลือกนอก โดยมีอิเล็กตรอน 4 ตัวสร้างพันธะกับอะตอมของซิลิคอน ปล่อยให้อิเล็กตรอนหนึ่งตัวไม่มีการจับคู่ อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่นี้จะกลายเป็นสารอิสระ โดยเคลื่อนที่ไปมาและเปลี่ยนแปลงค่าการนำไฟฟ้าของซิลิคอนเนื่องจากประจุของมัน

ด้วยการให้อิเล็กตรอนเพิ่มเติมแก่ตระกูลซิลิคอน อะตอมของสารหนูจึงเป็นที่รู้จักในฐานะผู้บริจาค

ด้วยการเพิ่มขึ้นของอิเล็กตรอนอิสระในตระกูลซิลิคอน ตัวพาที่มีประจุลบก็เพิ่มขึ้น โดยเปลี่ยนซิลิคอนให้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n

ทำไมถึงเรียกว่า "ชนิด N"? ในภาษาอังกฤษ "Negative" หมายถึงเชิงลบ การขึ้นอักษรตัวแรกของคำนี้จะทำให้เรามี N

ในทำนองเดียวกัน นักฟิสิกส์คิดว่า ถ้าเราสามารถนำอะตอมของสารหนูที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มเติมเข้ามาได้ เราจะเชิญอะตอมของโบรอนที่มีอิเล็กตรอนน้อยกว่าเข้ามาในกลุ่มได้หรือไม่ นักฟิสิกส์จึงตัดสินใจนำอะตอมของโบรอนมาผสมเพื่อดูว่าเกิดอะไรขึ้น

เนื่องจากอะตอมโบรอนมีอิเล็กตรอนเพียง 3 ตัวในเปลือกนอก ซึ่งน้อยกว่าซิลิคอน 2 ตัว พันธะโควาเลนต์แต่ละพันธะที่เดิมมีคู่อิเล็กตรอน XNUMX คู่ บัดนี้จึงมีเพียงคู่เดียว โดยเหลือช่องว่างไว้ นั่นคือรูที่มีประจุบวก

ณ จุดนี้ เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p ในทำนองเดียวกัน "P" มาจากอักษรตัวแรกของคำภาษาอังกฤษ "บวก" และอะตอมของโบรอนเรียกว่าตัวรับ

เป็นการนำอะตอมต่างๆ เข้าสู่ซิลิคอนผลึกเดี่ยวซึ่งส่งผลให้เกิดการก่อตัวของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N และชนิด P

เมื่อเรามีซิลิคอนผลึกเดี่ยวและสามารถหาวิธีออกซิไดซ์พื้นผิวของมันให้เป็นซิลิคอนไดออกไซด์ได้ ซิลิคอนไดออกไซด์สามารถทำหน้าที่เป็นฉนวนสำหรับโครงสร้างอุปกรณ์จำนวนมาก หรือทำหน้าที่เป็นชั้นกั้นระหว่างกระบวนการผลิตอุปกรณ์ เช่น การแพร่กระจายหรือการฝังไอออน

ในกระบวนการผลิตของจุดเชื่อมต่อ pn ชั้นบาง ๆ ของซิลิคอนไดออกไซด์สามารถใช้เพื่อกำหนดขอบเขตของจุดเชื่อมต่อได้

ดูแผนผังนี้: (a) แสดงแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนที่เปิดอยู่ ซึ่งพร้อมสำหรับขั้นตอนการออกซิเดชัน ในขณะที่ (b) แสดงเฉพาะชั้นบนสุดของแผ่นเวเฟอร์ที่ถูกออกซิไดซ์

ด้วยความรู้ทางทฤษฎีเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และ N เราสามารถก้าวไปอีกขั้นและปรับเปลี่ยนพื้นผิวของซิลิคอนไดออกไซด์เพื่อสร้างรูปแบบที่ต้องการ เช่น การวาดภาพแมวหรือดอกไม้

วิธีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวเวเฟอร์เรียกว่าการพิมพ์หินด้วยแสง!

แต่การถ่ายภาพหินไม่จำเป็นต้องมีอุปกรณ์ขั้นสูงใช่หรือไม่ ฉันได้ยินมาว่าเครื่องจักรเหล่านั้นน่าประทับใจมาก... ก่อนอื่นมาทำความเข้าใจหลักการของการพิมพ์หินด้วยแสงก่อน:

ชั้นของวัสดุไวแสงอัลตราไวโอเลต (UV) ที่เรียกว่าโฟโตรีซิสต์ใช้เครื่องเคลือบแบบหมุนความเร็วสูงจะถูกปั่นลงบนพื้นผิวของชิป หลังจากถอดชิปออกจากเครื่องปั่นด้ายแล้ว จะอบที่อุณหภูมิระหว่าง 80°C ถึง 100°C เพื่อไล่ตัวทำละลายในตัวต้านทานแสงออกและทำให้มันแข็งตัว เพื่อเพิ่มการยึดเกาะกับชิป

ถัดไป แหล่งกำเนิดแสง UV จะถูกใช้เพื่อเผยชิปผ่านหน้ากากที่มีลวดลาย จากนั้น กรดไฮโดรฟลูออริกบัฟเฟอร์จะถูกใช้เป็นตัวกัดกรดเพื่อขจัดพื้นผิวซิลิคอนไดออกไซด์ที่ไม่ได้รับการป้องกัน สุดท้าย โฟโตรีซิสต์จะถูกลอกออกโดยใช้ตัวทำละลายเคมีหรือระบบเถ้าพลาสมา

ดูแผนผัง: แสดงเฉพาะ (a) เท่านั้น

กระบวนการนี้ค่อนข้างคล้ายกับการประทับตรา ขั้นแรก แบบจำลองจะถูกทาสีบนหินด้วยเม็ดสี จากนั้นจึงแกะสลักตามขนาดของแบบจำลอง โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นหลักการเดียวกัน

เช่นเดียวกับซีลที่สามารถยกขึ้นหรือปิดภาคเรียนได้ เวเฟอร์ก็สามารถปฏิบัติเช่นเดียวกันได้ ขึ้นอยู่กับการเลือกของโฟโตรีซิสต์ ไม่ว่าจะเป็นแบบบวกหรือแบบลบ เราสามารถบรรลุรูปแบบการยก (เชิงบวก) และแบบฝัง (เชิงลบ) ได้ ตัวต้านทานแสงที่ใช้เรียกว่าความต้านทานเชิงบวกและความต้านทานเชิงลบ

หลังจากการพิมพ์หินด้วยแสง พื้นผิวซิลิกอนจะถูกสัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอก จากนั้นนักฟิสิกส์จะแนะนำองค์ประกอบอื่นๆ ให้กับพื้นผิวซิลิคอนนี้ผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการฝังไอออน

เมื่อฝังไอออนของโบรอน (B) หรือสารหนู (As) ไอออนเหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติดั้งเดิมของซิลิคอน โดยเปลี่ยนคุณลักษณะทางเคมีไฟฟ้า ณ จุดนี้ เซมิคอนดักเตอร์เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ภายนอก

ทางแยกที่เกิดจากการสัมผัสระหว่างสารกึ่งตัวนำชนิด P และชนิด N เรียกว่าทางแยก pn!

หลังจากการเติมสารโด๊ปเสร็จสิ้น จะมีการพยายามดึงประสิทธิภาพของเซมิคอนดักเตอร์นี้ออกมา สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการทำให้พื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์เป็นโลหะ โดยมีขั้นตอนรวมถึงการสัมผัสแบบโอห์มมิกและการเชื่อมต่อระหว่างกันที่เสร็จสมบูรณ์ในกระบวนการทำให้เป็นโลหะที่ตามมา ฟิล์มบางของโลหะสามารถเกิดขึ้นได้โดยใช้การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) หรือการสะสมไอสารเคมี (CVD)

เมื่อกระบวนการเคลือบโลหะเสร็จสิ้นแล้ว จุดเชื่อมต่อ pn ก็สามารถทำงานได้แล้ว!

ทั้งหมดนี้เป็นความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์!

บริษัท Skor Micro Semiconductor ได้รับสิทธิบัตรแบบจำลองอรรถประโยชน์ใหม่สำหรับอุปกรณ์ทำความร้อนไทริสเตอร์

Skor มอบสินค้ารุ่นยอดนิยม 20 รุ่นให้ฟรี คว้าโอกาสนี้เพื่อทดแทนสินค้าในประเทศ