5 hlavních důvodů pro použití křemíku v elektronice jako polovodičovém materiálu

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





S pojmem „elektronika“ můžete spojit mnoho věcí, zejména součásti elektronických obvodů jako jsou tranzistory, diody, integrované obvody atd. Pokud jste si plně vědomi těchto komponent, musíte si být vědomi převažujícího použití křemíku při jejich výrobě.

Použití křemíku

Použití křemíku



Co je to křemík?

Křemík je polovodičový materiál s atomovým číslem 14, který se nachází ve skupině 4 periodické tabulky. Čistý amorfní křemík poprvé připravil Jones Jacob Berzelius v roce 1824, zatímco krystalický křemík poprvé připravil Henry Etienne v roce 1854.


Co jsou to polovodiče?

Polovodiče nejsou nic jiného než materiály s izolačními vlastnostmi v čisté formě a vodivými vlastnostmi, pokud jsou dotovány nebo přidávány nečistotami. Polovodiče mají obvykle pásovou mezeru (energii potřebnou k tomu, aby se elektrony uvolnily z kovalentní vazby) mezi izolátory (maximální vzdálenost pásma) a vodiči (minimální vzdálenost pásma). Vedení nebo tok náboje v polovodičích je způsoben pohybem volných elektronů nebo děr.



Pokud jste obeznámeni s periodickou tabulkou, musíte si být vědomi skupin v periodické tabulce. Polovodičové materiály jsou obvykle přítomny ve skupině 4 periodické tabulky nebo jsou také přítomny jako kombinace skupiny 3 a skupiny 6 nebo také jako kombinace skupiny 2 a skupiny 4. Nejpoužívanějšími polovodiči jsou křemík, germánium a gallium-arsenid.

Co tedy dělá křemík jako nejpreferovanější polovodičový materiál v elektronice?

Níže jsou uvedeny hlavní důvody:


1. Hojnost křemíku

Hlavním a nejvýznamnějším důvodem popularity křemíku jako materiálu volby je jeho hojnost. Dále v souladu s kyslíkem, který je asi 46% v zemské kůře, tvoří křemík asi 28% zemské kůry. Je široce dostupný ve formě písku (křemene) a křemene.

Hojnost křemíku v přírodě

Hojnost křemíku v přírodě

2. Výroba křemíku

Křemíkové destičky, které se používají k výrobě integrovaných obvodů a čipů elektronické komponenty jsou vyráběny za použití účinných a ekonomických technik. Čistý křemík nebo polykřemík se získá následujícími kroky:

  • Křemen se nechá reagovat s koksem za vzniku metalurgického křemíku v elektrické peci.
  • Hutní křemík se poté převede na trichlorsilan (TCS) v reaktorech s fluidním ložem.
  • Následně se TCS čistí destilací a poté se rozloží na horká křemíková vlákna v reaktoru spolu s vodíkem. Nakonec je výsledkem polysilikonová tyč.

Polysilikonová tyč se poté krystalizuje pomocí Czochralského metody, aby se získaly krystaly nebo ingoty křemíku. Tyto ingoty jsou nakonec rozřezány na destičky pomocí metod ID řezání nebo řezání drátem.

Výroba křemíku

Výroba křemíku

Všechny výše uvedené procesy usnadňují dosažení požadovaného průměru, orientace, vodivosti, koncentrace dopingu a koncentrace kyslíku potřebné pro výrobu křemíkových destiček.

3. Chemické vlastnosti

Chemické vlastnosti označují ty vlastnosti, ve vztahu k nimž je definována reakce materiálů s ostatními. Chemické vlastnosti závisí přímo na atomové struktuře prvku. Krystalický křemík používaný převážně v elektronice se skládá ze struktury podobné diamantu. Každá jednotková buňka se skládá z 8 atomů v a bravaisova mříž dohoda. Díky tomu je čistý křemík vysoce stabilní při pokojové teplotě ve srovnání s jinými materiály, jako je Germanium.
Čistý křemík je tedy nejméně ovlivněn vodou, kyselinou nebo párou. Také při vyšší teplotě v roztaveném stavu křemík snadno vytváří oxidy a nitridy a dokonce i slitiny.

4. Křemíková struktura

Fyzikální vlastnosti křemíku také přispívají k jeho popularitě a použití jako polovodičového materiálu.

Křemíková struktura

Křemíková struktura

  • Křemík má mírnou mezeru v energetickém pásmu 1,12 eV při 0 K. Díky tomu je křemík ve srovnání s germániem stabilním prvkem a snižuje se pravděpodobnost úniku proudu. Reverzní proud je v nanoampérech a je velmi nízký.
  • Krystalická struktura křemíku se skládá z čelně centrické kubické mřížkové struktury s 34% hustotou balení. To umožňuje snadnou substituci atomů nečistot na prázdná místa mřížky. Jinými slovy, dopingová koncentrace je poměrně vysoká, asi 10 ^ 21atomů / cm ^ 3.

To také zvyšuje možnost přidání nečistot, jako je kyslík, jako intersticiálních atomů do krystalové mřížky. To poskytuje destičkám silnou mechanickou pevnost proti různým druhům namáhání, jako je tepelné, mechanické nebo gravitační.

  • Dopředné napětí pro křemíkové diody je 0,7 V, což je ve srovnání s germániovými diodami vyšší. Díky tomu jsou stabilnější a zvyšuje se použití křemíku jako usměrňovačů.

5. Oxid křemičitý

Posledním, ale neméně důležitým důvodem obrovské popularity křemíku, je snadnost, s jakou tvoří oxidy. Oxid křemičitý je v IC technologii nejpoužívanějším izolátorem díky své extrémně stabilní chemické povaze ve srovnání s jinými oxidy, jako je Germanium, které je rozpustné ve vodě a rozkládá se při teplotě 800 stupňů Celsia.

Oxid křemičitý

Oxid křemičitý

Oxid křemičitý lze pěstovat tepelně pomocí kyslíku na křemíkových destičkách při vyšší teplotě nebo nanášet pomocí silanu a kyslíku.

Oxid křemičitý se používá:

  • Ve výrobních technikách IC, jako je leptání, difúze, implantace iontů atd.
  • V dielektriku pro elektronická zařízení.
  • Jako ultratenká vrstva pro zařízení MOS a CMOS. Tím se zvýšila široká popularita zařízení CMOS s vysokou vstupní impedancí.
  • Ve 3D zařízeních v Technologie MEM .

To jsou tedy hlavní důvody pro rostoucí využití křemíku v elektronice. Doufáme, že jste již mohli mít jasné pochopení a výstižné zdůvodnění, proč se křemík používá jako polovodičový materiál pro vývoj projektů založených na elektronice. Zde je pro vás jednoduchá, ale zajímavá otázka: Proč se křemík nepoužívá v LED a fotodiodách?

Fotografické kredity: