Top 5 grunde til anvendelse af silicium i elektronik som et halvledermateriale

Top 5 grunde til anvendelse af silicium i elektronik som et halvledermateriale

Med udtrykket 'elektronik' er der mange ting, du kan forbinde, især elektroniske printkortkomponenter som transistorer, dioder, IC'er og så videre. Hvis du er helt opmærksom på disse komponenter, skal du også være opmærksom på de gældende silicium-anvendelser til fremstilling af disse komponenter.



Anvendelse af silicium

Anvendelse af silicium

Hvad er silicium?

Silicium er et halvledermateriale med et atomnummer på 14, der er placeret i gruppen 4 i det periodiske system. Ren amorf silicium blev først fremstillet af Jones Jacob Berzelius i 1824, mens krystallinsk silicium først blev fremstillet af Henry Etienne i 1854.






Hvad er halvledere?

Halvledere er intet andet end materialer med isolerende egenskaber i ren form og ledende egenskaber, når de dopes eller tilsættes med urenheder. Halvledere har normalt et båndgab (energi, der kræves for at elektroner kan bryde fri fra kovalent binding) mellem isolatorer (maksimalt båndgab) og ledere (minimum båndgab). Ledningen eller strømmen af ​​ladning i halvledere skyldes bevægelsen af ​​frie elektroner eller huller.

Hvis du er fortrolig med det periodiske system, skal du være opmærksom på grupperne i et periodisk system. Halvledermaterialer er normalt til stede i gruppen 4 i det periodiske system eller også til stede som en kombination af gruppe 3 og gruppe 6 eller som en kombination af gruppe 2 og gruppe 4 også. De mest anvendte halvledere er silicium, Germanium og Gallium-Arsenid.



Så hvad gør Silicon til det mest foretrukne halvledermateriale i elektronik?

Følgende er de vigtigste årsager:


1. Overflod af silicium

Den væsentligste og mest fremtrædende årsag til siliciums popularitet som valgmateriale er dens overflod. Dernæst på linje med ilt, som er ca. 46% i jordskorpen, udgør Silicon ca. 28% af jordskorpen. Det er bredt tilgængeligt i form af sand (silica) og kvarts.

Silicium overflod i naturen

Silicium overflod i naturen

2. Fremstilling af silicium

Siliciumplader, der bruges til produktion af IC'er og elektroniske komponenter fremstilles ved hjælp af effektive og økonomiske teknikker. Rent silicium eller polysilicium opnås ved følgende trin:

  • Kvarts får reageret med koks for at producere metallurgisk silicium i en elektrisk ovn.
  • Det metallurgiske silicium omdannes derefter til trichlorsilan (TCS) i reaktorer med fluidiseret leje.
  • Efterfølgende oprenses TCS ved destillation og nedbrydes derefter på varme siliciumfilamenter i en reaktor sammen med hydrogen. Endelig er den resulterende en poly-silicium stang.

Poly-siliciumstangen krystalliseres derefter ved anvendelse af Czochralski-metoden til opnåelse af siliciumkrystaller eller ingots. Disse ingots skæres til sidst i wafere ved hjælp af ID-skæring eller trådskæringsmetoder.

Siliciumfremstilling

Siliciumfremstilling

Alle ovenstående processer letter opnåelsen af ​​den krævede diameter, orientering, ledningsevne, dopingkoncentration og iltkoncentration, der er nødvendig til fremstilling af siliciumskiver.

3. Kemiske egenskaber

Kemiske egenskaber henviser til de egenskaber, som reaktion mellem materialer og andre er defineret i. De kemiske egenskaber afhænger direkte af elementets atomstruktur. Krystallinsk silicium, der hovedsagelig anvendes i elektronik, består af en diamantlignende struktur. Hver enhedscelle består af 8 atomer i en bravais gitter arrangement. Dette gør rent silicium meget stabilt ved stuetemperatur sammenlignet med andre materialer som Germanium.
Således påvirkes rent silicium mindst af vand, syre eller damp. Også ved højere temperatur i smeltet tilstand danner silicium let oxider og nitrider og endda legeringer.

4. Siliciumstruktur

Silicons fysiske egenskaber bidrager også til dets popularitet og anvendelse som halvledermateriale.

Silicium struktur

Silicium struktur

  • Silicium har et moderat energibåndgab på 1,12eV ved 0 K. Dette gør silicium til et stabilt element sammenlignet med Germanium og reducerer risikoen for lækstrøm. Omvendt strøm er i nano-ampere og er meget lav.
  • Krystallinsk struktur af silicium består af ansigtscentrisk kubisk gitterstruktur med 34% pakningstæthed. Dette muliggør let udskiftning af urenhedsatomer på gitterets tomme steder. Med andre ord er dopingkoncentrationen ret høj, ca. 10 ^ 21atomer / cm ^ 3.

Dette forbedrer også muligheden for at tilføje urenheder som ilt som de interstitielle atomer i krystalgitteret. Dette giver vaflerne en stærk mekanisk styrke mod forskellige slags spændinger som termisk, mekanisk eller tyngdekraft.

  • Fremadspænding for siliciumdioder er 0,7 V, hvilket er højere, når man sammenligner med Germanium-dioder. Dette gør dem mere stabile og forbedrer anvendelsen af ​​silicium som ensrettere.

5. Siliciumdioxid

Den sidste men ikke mindst grund til siliciums enorme popularitet er den lethed, hvormed det danner oxider. Siliciumdioxid er den mest anvendte isolator inden for IC-teknologi på grund af sin ekstremt stabile kemiske natur, når den sammenlignes med andre oxider som Germanium, som er vandopløselig og nedbrydes ved en temperatur på 800 grader Celsius.

Siliciumdioxid

Siliciumdioxid

Siliciumdioxid kan dyrkes termisk ved hjælp af ilt over siliciumskiver ved højere temperatur eller aflejres ved hjælp af Silane og Oxygen.

Der anvendes siliciumdioxid:

  • I IC-fabrikationsteknikker som ætsning, diffusion, ionimplantation osv.
  • I Dielektrics til elektroniske enheder.
  • Som et ultratyndt lag til MOS- og CMOS-enheder. Dette har infact øget den store popularitet af CMOS-enheder med høj inputimpedans.
  • I 3D-enheder i MEMs teknologi .

Så dette er de øverste årsager til den stigende brug af silicium i elektronik. Vi håber, at du nu måske har fået en klar forståelse og passende begrundelse for, hvorfor silicium bruges som et halvledermateriale til udvikling af elektronikbaserede projekter. Her er et simpelt, men alligevel spændende spørgsmål til dig: Hvorfor bruges silicium ikke i lysdioder og fotodioder?

Fotokreditter: