Silicijske pločice izrađene su od jednog kristala visoko čistog silicija, obično s manje od jednog dijela na milijardu kontaminanata. Czochralski proces je najuobičajenija metoda formiranja velikih kristala ove čistoće, koja uključuje izvlačenje klice kristala iz rastaljenog silicija, obično poznatog kao talina. Sjeme kristala se zatim oblikuje u cilindrični ingot poznat kao bula.
Elementi poput bora i fosfora mogu se dodati u bule u preciznim količinama za kontrolu električnih svojstava pločice, općenito u svrhu stvaranja poluvodiča n-tipa ili p-tipa. Bule se zatim reže na tanke kriške žičanom pilom poznatom i kao pila za oblatne. Izrezane pločice mogu biti polirane do različitih stupnjeva.
Za što se koristi silikonska pločica?
Silicijska pločica je tanka kriška kristalnog silicija koja se obično koristi u elektroničkoj industriji. Silicij se koristi u tu svrhu jer je poluvodič, što znači da nije ni jak vodič ni jak izolator električne energije. Njegovo prirodno obilje i druga svojstva općenito čine silicij boljim od drugih poluvodiča kao što je germanij za izradu pločica.
Najčešće dimenzije silicijskih pločica ovise o njihovoj primjeni. Ploče koje se koriste u IC-ovima su okrugle s promjerom koji se obično kreće od 100 do 300 milimetara (mm). Debljina općenito raste s promjerom i obično je u rasponu od 525 do 775 mikrona (μm). Ploče u solarnim ćelijama obično su kvadratne sa stranicama od 100 do 200 mm. Njihova debljina je između 200 i 300 μm, iako se očekuje da će se standardizirati na 160 μm u bliskoj budućnosti.
Integrirani krugovi
IC, također poznat kao mikročip ili samo čip, skup je elektroničkih sklopova postavljenih na podlogu od poluvodičkog materijala. Monokristalni silicij trenutno je najčešći supstrat za ICs, iako se galijev arsenid koristi u nekim aplikacijama kao što su bežični komunikacijski uređaji. Vaferi izrađeni od legura silicij-germanija također se sve više koriste, obično u primjenama gdje veća brzina silicij-germanija vrijedi više cijene.
IC-ovi se trenutno koriste u većini elektroničkih uređaja, praktički zamijenivši zasebne elektroničke komponente. Oni su manji, brži i jeftiniji za proizvodnju od diskretnih komponenti za nekoliko redova veličine. Brzo usvajanje IC-ova u elektroničkoj industriji također je posljedica modularnog dizajna IC-ova, koji se lako može koristiti za masovnu proizvodnju.
Ovi se slojevi razvijaju na sličan način kao obične fotografije osim što se koristi ultraljubičasto svjetlo umjesto vidljivog svjetla budući da su valne duljine vidljivog svjetla prevelike za stvaranje značajki s potrebnom preciznošću. Značajke modernih IC-ova toliko su male da procesni inženjeri moraju koristiti elektronske mikroskope kako bi ih otklonili.
Izrada IC-a
Oprema za automatizirano testiranje (ATE) testira svaku pločicu prije nego što je upotrijebi za izradu IC-a, proces koji je obično poznat kao ispitivanje pločice ili testiranje pločice. Vafer se zatim reže u pravokutne komade poznate kao matrice, a zatim povezuje s elektroničkim paketom putem električno vodljivih žica, koje su obično izrađene od zlata ili aluminija. Te su žice spojene na jastučiće koji se obično nalaze oko ruba matrice pomoću ultrazvuka u procesu koji se naziva termozvučno spajanje.
Rezultirajući uređaji prolaze kroz završne faze testiranja, koje obično koriste ATE i opremu za skeniranje industrijske računalne tomografije (CT). Relativni trošak testiranja uvelike varira ovisno o prinosu, veličini i cijeni uređaja. Na primjer, testiranje može predstavljati više od 25% ukupnih troškova izrade jeftinih uređaja, ali može biti gotovo zanemarivo za velike, skupe uređaje s malim prinosima.
Tehnike
Izrada IC-ova visoko je automatiziran proces koji koristi mnoge specifične tehnike. Ove mogućnosti pokreću visoke troškove izgradnje pogona za proizvodnju, koji mogu premašiti 8 milijardi USD od 2016. Očekuje se da će se ti troškovi povećati mnogo brže od inflacije zbog stalne potrebe za većom automatizacijom.
Trend prema manjim tranzistorima nastavit će se u doglednoj budućnosti, s 14 nm kao vrhunskom tehnologijom u 2016. Očekuje se da će proizvođači IC-a kao što su Intel, Samsung, Global Foundries i TSMC započeti prijelaz na 10 nm tranzistore do kraja 2017. .
Velike pločice osiguravaju ekonomiju razmjera, što smanjuje ukupne troškove IC-ova. Najveći komercijalno dostupni vafli su promjera 300 mm, a očekuje se da će sljedeća najveća veličina biti 450 mm. Međutim, još uvijek postoje značajni tehnički izazovi za izradu vafla ove veličine.
Dodatne tehnike korištene u izradi IC-ova uključuju tranzistore s tri vrata, koje Intel proizvodi sa širinom od 22 nm od 2011. IBM koristi proces poznat kao napeti silicij izravno na izolatoru (SSDOI), koji uklanja silicij-germanijev sloj s oblatnu.
Bakar zamjenjuje aluminijske interkonekte u IC-ovima, prvenstveno zbog svoje veće električne vodljivosti. Dielektrični izolatori s niskim K i silicij na izolatorima (SOI) također su napredne proizvodne tehnike za IC.
Ostali izvori o poluvodičima
Osnovni pojmovi i definicije napolitanki
Rezanje Si pločica izvan osi
Taloženje kisika u siliciju
Svojstva stakla u odnosu na primjenu silicija
Vodič za SEMI specifikacije za Si vafle
Mokro-kemijsko jetkanje i čišćenje silicija
Solarne ćelije
Solarna ćelija koristi fotonaponski učinak za pretvaranje svjetlosne energije u električnu energiju, što općenito uključuje apsorpciju svjetlosti od strane nekog materijala kako bi se elektroni pobudili u stanje više energije. To je vrsta fotoelektrične ćelije, uređaja koji mijenja svoje električne karakteristike kada je izložen svjetlu. Solarne ćelije mogu koristiti svjetlost iz bilo kojeg izvora, iako izraz "solarni" implicira da im je potrebna sunčeva svjetlost.
Proizvodnja električne energije kao izvora energije jedna je od najpoznatijih primjena solarnih ćelija. Ove vrste solarnih ćelija koriste izvor svjetlosti za punjenje baterije, koja se može koristiti za napajanje električnog uređaja.
Solarne ćelije često su integrirane u uređaj za koji su namijenjene. Na primjer, svjetla na solarni pogon koja su obično dostupna u trgovinama za poboljšanje doma koriste solarne ćelije za punjenje baterije tijekom dana. Noću baterija napaja senzor pokreta koji pali svjetlo kada detektira kretanje.
Solarne ćelije mogu se klasificirati u tipove prve, druge i treće generacije. Ćelije prve generacije sastoje se od kristalnog silicija, uključujući monokristalni silicij i polisilicij. Trenutno su najčešća vrsta solarnih ćelija. Ćelije druge generacije koriste tanki film sastavljen od amorfnog silicija i obično se koriste u komercijalnim elektranama. Treća generacija solarnih ćelija koristi tanki film razvijen pomoću niza novih tehnologija i trenutno imaju ograničenu komercijalnu primjenu.
Izrada solarnih ćelija
Velika većina solarnih ćelija prve generacije sastoji se od kristalnog silicija, iako su njegova strukturna kvaliteta i čistoća daleko ispod one koja se koristi u IC-ovima. Monokristalni silicij pretvara svjetlost u električnu energiju učinkovitije od polisilicija, ali je monokristalni silicij i skuplji.
Oblatne se režu na kvadrate kako bi se oblikovale pojedinačne ćelije, a njihovi uglovi se zatim podrezuju kako bi se formirali osmerokuti. Ovaj oblik daje solarnim pločama njihov karakterističan izgled poput dijamanta. Sve ćelije koje čine solarnu ploču moraju biti usmjerene duž iste ravnine kako bi se povećala učinkovitost pretvorbe. Ploče su obično prekrivene staklenim slojem na strani koja je okrenuta prema suncu kako bi se zaštitile ploče.
Solarne ćelije mogu biti spojene u seriju ili paralelno, ovisno o specifičnim zahtjevima. Spajanje ćelija u seriju povećava njihov napon, dok njihovo paralelno spajanje povećava struju. Primarni nedostatak paralelnih nizova je taj što efekti sjene mogu uzrokovati gašenje zasjenjenih nizova, što može uzrokovati da osvijetljene žice primjenjuju obrnutu pristranost na zasjenjene nizove. Ovaj učinak može rezultirati znatnim gubitkom snage, pa čak i oštećenjem stanica.
Preferirano rješenje za ovaj problem je povezivanje nizova ćelija u seriju kako bi se formirali moduli i korištenje trackera maksimalne snage (MPPT) za rukovanje zahtjevima za napajanjem nizova neovisno jedan o drugom. Međutim, moduli se također mogu međusobno povezati kako bi formirali niz sa željenom strujom opterećenja i vršnim naponom. Još jedno rješenje za probleme uzrokovane efektima sjene je korištenje shunt dioda za smanjenje gubitka snage.
Povećanje veličine
Trend prema većim kuglama u industriji poluvodiča rezultirao je povećanjem veličine solarnih ćelija. Solarni paneli razvijeni 1980-ih izrađeni su od ćelija promjera između 50 i 100 mm. Paneli izrađeni tijekom 1990-ih i 2000-ih obično su koristili pločice promjera 125 mm, a paneli izrađeni od 2008. imaju ćelije od 156 mm.
Upotreba silicijskih pločica
Silicijske pločice najčešće se koriste kao supstrat za integrirane sklopove (IC), iako su također glavna komponenta u fotonaponskim ili solarnim ćelijama. Osnovni proces proizvodnje ovih pločica je isti za obje ove primjene, iako su zahtjevi za kvalitetom mnogo viši za pločice koje se koriste u IC-ovima. Ove pločice također prolaze kroz dodatne korake kao što su ionska implantacija, jetkanje i fotolitografsko oblikovanje, koji nisu potrebni za solarne ćelije.