5 najważniejszych powodów, dla których krzem jest stosowany w elektronice jako materiał półprzewodnikowy

5 najważniejszych powodów, dla których krzem jest stosowany w elektronice jako materiał półprzewodnikowy

Z terminem „elektronika” można skojarzyć wiele rzeczy, zwłaszcza elektroniczne elementy obwodów drukowanych jak tranzystory, diody, układy scalone i tak dalej. Jeśli jesteś w pełni świadomy istnienia tych komponentów, musisz być świadomy dominującego zastosowania krzemu również w ich produkcji.



Zastosowania krzemu

Zastosowania krzemu

Co to jest krzem?

Krzem jest materiałem półprzewodnikowym o liczbie atomowej 14, znajdującym się w grupie 4 układu okresowego. Czysty krzem amorficzny został po raz pierwszy przygotowany przez Jonesa Jacoba Berzeliusa w 1824 roku, podczas gdy krzem krystaliczny został po raz pierwszy przygotowany przez Henry'ego Etienne'a w 1854 roku.






Co to są półprzewodniki?

Półprzewodniki to nic innego jak materiały o właściwościach izolacyjnych w czystej postaci i właściwościach przewodzących, gdy są domieszkowane lub dodane z zanieczyszczeniami. Półprzewodniki zwykle mają przerwę wzbronioną (energię potrzebną do uwolnienia elektronów od wiązania kowalencyjnego) między izolatorami (maksymalna przerwa energetyczna) a przewodnikami (minimalna przerwa energetyczna). Przewodzenie lub przepływ ładunku w półprzewodnikach wynika z ruchu swobodnych elektronów lub dziur.

Jeśli znasz układ okresowy, musisz być świadomy grup w układzie okresowym. Materiały półprzewodnikowe są zwykle obecne w grupie 4 układu okresowego lub również jako połączenie grupy 3 i 6, lub również jako połączenie grupy 2 i 4. Najpowszechniej stosowanymi półprzewodnikami są krzem, german i arsenek galu.



Więc co sprawia, że ​​krzem jest najbardziej preferowanym materiałem półprzewodnikowym w elektronice?

Oto najważniejsze powody:


1. Obfitość krzemu

Głównym i najważniejszym powodem popularności krzemu jako materiału z wyboru jest jego obfitość. Następnie, wraz z tlenem, który stanowi około 46% skorupy ziemskiej, krzem stanowi około 28% skorupy ziemskiej. Jest szeroko dostępny w postaci piasku (krzemionki) i kwarcu.

Bogactwo krzemu w przyrodzie

Bogactwo krzemu w przyrodzie

2. Produkcja krzemu

Płytki krzemowe, które są używane do produkcji układów scalonych i części elektroniczne są produkowane przy użyciu skutecznych i ekonomicznych technik. Czysty silikon lub poli-krzem uzyskuje się w następujących etapach:

  • Kwarc reaguje z koksem w celu wytworzenia krzemu metalurgicznego w piecu elektrycznym.
  • Metalurgia krzem jest następnie przekształcany do trichlorosilanu (TCS) w reaktorach ze złożem fluidalnym.
  • Następnie TCS jest oczyszczany przez destylację, a następnie rozkładany na gorące włókna silikonowe w reaktorze wraz z wodorem. Ostatecznie uzyskano pręt polikrzemowy.

Pręt polikrzemowy poddaje się następnie krystalizacji metodą Czochralskiego w celu uzyskania kryształów lub wlewków krzemu. Te wlewki są ostatecznie cięte na wafle metodą cięcia ID lub cięcia drutem.

Produkcja krzemu

Produkcja krzemu

Wszystkie powyższe procesy ułatwiają osiągnięcie wymaganej średnicy, orientacji, przewodnictwa, stężenia domieszki i tlenu potrzebnego do produkcji wafli krzemowych.

3. Właściwości chemiczne

Właściwości chemiczne odnoszą się do tych właściwości, w odniesieniu do których definiowana jest reakcja materiałów z innymi. Właściwości chemiczne zależą bezpośrednio od struktury atomowej pierwiastka. Krzem krystaliczny, stosowany głównie w elektronice, składa się ze struktury podobnej do diamentu. Każda komórka elementarna składa się z 8 atomów w bravais krata układ. To sprawia, że ​​czysty krzem jest bardzo stabilny w temperaturze pokojowej w porównaniu z innymi materiałami, takimi jak german.
Zatem czysty krzem jest najmniej podatny na działanie wody, kwasu lub pary. Ponadto w wyższej temperaturze w stanie stopionym krzem łatwo tworzy tlenki i azotki, a nawet stopy.

4. Struktura krzemu

Fizyczne właściwości krzemu również przyczyniają się do jego popularności i zastosowania jako materiału półprzewodnikowego.

Struktura krzemu

Struktura krzemu

  • Krzem ma pasmo wzbronione o umiarkowanej energii 1,12eV przy 0 K. To sprawia, że ​​krzem jest stabilnym pierwiastkiem w porównaniu z germanem i zmniejsza ryzyko upływu prądu. Prąd wsteczny jest w nanoamperach i jest bardzo niski.
  • Krystaliczna struktura krzemu składa się z powierzchniowo centrycznej sześciennej struktury kratowej o gęstości upakowania 34%. Pozwala to na łatwe podstawianie atomów zanieczyszczeń w pustych miejscach sieci. Innymi słowy, stężenie dopingu jest dość wysokie, około 10 ^ 21 atomów / cm ^ 3.

Zwiększa to również możliwość dodawania zanieczyszczeń, takich jak tlen, jako śródmiąższowych atomów w sieci krystalicznej. Zapewnia to dużą wytrzymałość mechaniczną płytek na różnego rodzaju naprężenia, takie jak naprężenia termiczne, mechaniczne lub grawitacyjne.

  • Napięcie przewodzenia dla diod krzemowych wynosi 0,7 V, czyli jest wyższe w porównaniu z diodami germanowymi. To czyni je bardziej stabilnymi i zwiększa wykorzystanie krzemu jako prostowników.

5. Dwutlenek krzemu

Ostatnim, ale nie najmniej ważnym powodem ogromnej popularności krzemu jest łatwość, z jaką tworzy on tlenki. Dwutlenek krzemu jest najczęściej stosowanym izolatorem w technologii IC ze względu na jego wyjątkowo stabilny charakter chemiczny w porównaniu z innymi tlenkami, takimi jak german, który jest rozpuszczalny w wodzie i rozkłada się w temperaturze 800 stopni Celsjusza.

Dwutlenek krzemu

Dwutlenek krzemu

Dwutlenek krzemu można hodować termicznie przy użyciu tlenu na płytkach krzemowych w wyższej temperaturze lub osadzać przy użyciu silanu i tlenu.

Zastosowano dwutlenek krzemu:

  • W technikach wytwarzania układów scalonych, takich jak wytrawianie, dyfuzja, implantacja jonów itp.
  • W Dielektrykach dla urządzeń elektronicznych.
  • Jako ultracienka warstwa dla urządzeń MOS i CMOS. To faktycznie zwiększyło popularność urządzeń CMOS o wysokiej impedancji wejściowej.
  • W urządzeniach 3D w Technologia MEM .

Tak więc to są główne główne powody coraz częstszego stosowania krzemu w elektronice. Mamy nadzieję, że do tej pory mogłeś już mieć jasne zrozumienie i trafne uzasadnienie, dlaczego krzem jest używany jako materiał półprzewodnikowy do opracowywania projektów opartych na elektronice. Oto proste, ale intrygujące pytanie: Dlaczego w diodach LED i fotodiodach nie stosuje się krzemu?

Kredyty fotograficzne: