Elektroonilised materjalid: pooljuhttehnoloogia

Pooljuhttehnoloogia moodustab moodsa elektroonika selgroo, toetades kõike nutitelefonidest ja arvutitest meditsiiniseadmete ja autotööstuse süsteemideni. Pooljuhtide valmistamisega seotud materjalide ja protsesside mõistmine on ülioluline kõigile, kes on elektroonikatööstusega seotud, alates inseneridest ja teadlastest kuni äriprofessionaalide ja investoriteni. See põhjalik juhend annab süvaanalüüsi elektroonilistest materjalidest, keskendudes pooljuhttehnoloogiale ja selle globaalsele mõjule.

Mis on elektroonilised materjalid?

Elektroonilised materjalid on ained, millel on elektrilised omadused, mis muudavad need sobivaks elektroonikaseadmetes kasutamiseks. Neid materjale saab laialdaselt liigitada juhtideks, isolaatoriteks ja pooljuhtideks.

• Juhid, nagu vask ja alumiinium, võimaldavad elektrivoolul hõlpsasti läbi voolata.
• Isolaatorid, nagu klaas ja keraamika, takistavad elektrivoolu.
• Pooljuhid, nagu räni ja germaanium, on juhtivusega juhtide ja isolaatorite vahel. Nende juhtivust saab juhtida väliste teguritega, mis muudab need ideaalseks transistoride ja muude elektrooniliste komponentide ehitamiseks.

See juhend keskendub peamiselt pooljuhtidele, eriti neile, mida kasutatakse integraallülituste (IC) valmistamisel.

Pooljuhtmaterjalid: võtmetegijad

Räni (Si)

Räni on kaugelt kõige laialdasemalt kasutatav pooljuhtmaterjal. Selle rohkus, suhteliselt madal hind ja väljakujunenud valmistamisprotsessid on teinud sellest elektroonikatööstuses domineeriva materjali. Räni võime moodustada naturaalse oksiidi (SiO2), mis on suurepärane isolaator, on samuti suur eelis.

Räni eelised:

• Rohkus: Räni on Maa koorikus teine kõige levinum element.
• Kulutõhusus: Ränitöötlemise tehnoloogia on küps ja suhteliselt odav.
• Suurepärane isolaator: Ränidioksiid (SiO2) on kvaliteetne isolaator, mida kasutatakse MOSFETides.
• Termiline stabiilsus: Hea termiline stabiilsus tüüpilistel töötemperatuuridel.

Räni puudused:

• Väiksem elektronide liikuvus: Võrreldes teiste pooljuhtidega on ränil väiksem elektronide liikuvus, mis piirab seadmete kiirust.
• Kaudne energialõhe: Ränil on kaudne energialõhe, mis muudab selle optoelektrooniliste rakenduste (nt LEDid, laserid) jaoks vähem efektiivseks.

Germaanium (Ge)

Germaanium oli üks esimesi transistorides kasutatud pooljuhtmaterjale, kuid see on suuresti asendatud räniga, kuna selle energialõhe on väiksem ja tundlikkus temperatuurile on suurem. Germaaniumi kasutatakse siiski mõnes spetsiaalses rakenduses, näiteks kõrgsageduslikud seadmed ja infrapunadetektorid.

Germaaniumi eelised:

• Suurem elektronide ja aukude liikuvus: Germaaniumil on suurem elektronide ja aukude liikuvus kui ränil, mis muudab selle sobivaks suure kiirusega seadmete jaoks.

Germaaniumi puudused:

• Väiksem energialõhe: Germaaniumil on väiksem energialõhe kui ränil, mis põhjustab suuremat lekkevoolu toatemperatuuril.
• Kõrgem hind: Germaanium on kallim kui räni.
• Termiline ebastabiilsus: Vähem stabiilne kui räni kõrgematel temperatuuridel.

Galliumarseniid (GaAs)

Galliumarseniid on ühendpooljuht, mis pakub teatud rakendustes paremat jõudlust võrreldes räniga. Sellel on suurem elektronide liikuvus kui ränil ja otsene energialõhe, mis muudab selle sobivaks kõrgsageduslike seadmete, optoelektrooniliste seadmete (nt LEDid, laserid) ja päikesepatareide jaoks.

Galliumarseniidi eelised:

• Kõrge elektronide liikuvus: GaAsil on oluliselt suurem elektronide liikuvus kui ränil, mis võimaldab kiiremaid seadmeid.
• Otsene energialõhe: GaAsil on otsene energialõhe, mis muudab selle optoelektrooniliste rakenduste jaoks efektiivseks.
• Poolisoleerivad substraadid: GaAs-i substraate saab valmistada poolisoleerivaks, vähendades parasitilist mahtuvust kõrgsagedusahelates.

Galliumarseniidi puudused:

• Kõrgem hind: GaAs on kallim kui räni.
• Väiksem aukude liikuvus: GaAsil on väiksem aukude liikuvus kui ränil.
• Rabe: GaAs on rabedam ja raskem töödelda kui räni.
• Toksilisus: Arseen on toksiline, mis tekitab keskkonna- ja ohutusprobleeme.

Muud ühendpooljuhid

Lisaks galliumarseniidile kasutatakse spetsiaalsetes rakendustes ka muid ühendpooljuhte. Need sisaldavad:

• Indiumfosfiid (InP): Kasutatakse suure kiirusega optoelektroonilistes seadmetes ja kõrgsagedusahelates.
• Galliumnitriid (GaN): Kasutatakse suure võimsusega ja kõrgsageduslikes seadmetes, samuti LEDides ja laserites.
• Ränikarbiid (SiC): Kasutatakse suure võimsusega ja kõrgel temperatuuril töötavates seadmetes.
• Elavhõbe-kaadmium-telluriid (HgCdTe): Kasutatakse infrapunadetektorites.

Pooljuhtide valmistamise protsessid: vahvlist kiibini

Pooljuhtide valmistamine on keeruline ja mitmeetapiline protsess, mis hõlmab pooljuhtvahvli muundamist funktsionaalseks integraallülituseks. Peamised sammud sisaldavad:

Vahvli ettevalmistus

Protsess algab üksikkristallilise pooljuhtingoti kasvatamisega, kasutades tavaliselt Czochralski protsessi või float-zone protsessi. Seejärel lõigatakse ingot õhukesteks vahvliteks, mis poleeritakse, et luua sile ja defektideta pind.

Fotolitograafia

Fotolitograafia on oluline samm, mille käigus mustrid kantakse vahvlile. Vahvel kaetakse valgustundliku fototakistusmaterjaliga. Vahvli kohale asetatakse mask, mis sisaldab soovitud mustrit, ja vahvel puutub kokku ultraviolettvalgusega. Fototakistuse kokkupuutunud alad kas eemaldatakse (positiivne fototakistus) või jäävad alles (negatiivne fototakistus), luues vahvlile mustriga kihi.

Söövitus

Söövitust kasutatakse materjali eemaldamiseks vahvlilt aladelt, mida fototakistus ei kaitse. On kahte peamist tüüpi söövitust: märg- ja kuivsöövitus. Märgsöövitus kasutab materjali eemaldamiseks keemilisi lahuseid, samas kui kuivsöövitus kasutab materjali eemaldamiseks plasmat.

Dopingu

Dopingu on protsess, mille käigus viiakse pooljuhtmaterjali lisandeid selle elektrilise juhtivuse muutmiseks. Kaks peamist dopingu tüüpi on n-tüüpi doping (elementide sisestamine, millel on rohkem valentselektrone, nagu fosfor või arseen) ja p-tüüpi doping (elementide sisestamine, millel on vähem valentselektrone, nagu boor või gallium). Dopingut saavutatakse tavaliselt ioonide implanteerimise või difusiooniga.

Õhukese kile ladestamine

Õhukese kile ladestamist kasutatakse erinevate materjalide õhukeste kihtide ladestamiseks vahvlile. Levinud ladestustehnikad sisaldavad:

• Keemiline aurustumine (CVD): Vahvli pinnal toimub keemiline reaktsioon, ladestades õhukese kile.
• Füüsikaline aurustamine (PVD): Materjal aurustatakse või pihustatakse sihtmärgist ja ladestatakse vahvlile.
• Aatomikihi ladestamine (ALD): Õhuke kile ladestatakse kihiti, võimaldades täpset juhtimist kile paksuse ja koostise üle.

Metalliseerimine

Metalliseerimist kasutatakse vooluahela erinevate osade vaheliste elektriühenduste loomiseks. Metallikihid, tavaliselt alumiinium või vask, ladestatakse ja mustreeritakse, et moodustada ühendused.

Testimine ja pakendamine

Pärast valmistamist testitakse vahvleid, et tagada vooluahelate õige toimimine. Defektsed vooluahelad visatakse ära. Funktsionaalsed vooluahelad eraldatakse seejärel vahvlist (lõikamine) ja pakendatakse üksikute kiipidena. Pakendamine kaitseb kiipi keskkonna eest ja tagab elektriühendused välismaailmaga.

Põhilised pooljuhtseadmed

Dioodid

Diood on kahe klemmiga elektrooniline komponent, mis juhib voolu peamiselt ühes suunas. Dioode kasutatakse erinevates rakendustes, näiteks alaldites, pingeregulaatorites ja lülitites.

Transistorid

Transistor on kolme klemmiga elektrooniline komponent, mida saab kasutada lülitina või võimendina. Transistoride kaks peamist tüüpi on:

• Bipolaarsed ülemineku transistorid (BJT): BJT-d kasutavad voolu juhtimiseks nii elektrone kui ka auke.
• Väljaefektiga transistorid (FET): FET-id kasutavad elektrivälja voolu reguleerimiseks. Kõige levinum FET-tüüp on metall-oksiid-pooljuht väljaefektiga transistor (MOSFET).

MOSFET-id on moodsa digitaalvooluahela tööloomad. Neid kasutatakse kõiges, alates mikroprotsessoritest kuni mälukiipideni.

Integraallülitused (IC)

Integraallülitus (IC), tuntud ka kui mikrokiip või kiip, on miniatuurne elektrooniline vooluahel, mis sisaldab palju komponente, näiteks transistore, dioode, takisteid ja kondensaatoreid, mis on valmistatud ühel pooljuhtsubstraadil. IC-d võimaldavad luua keerukaid elektroonilisi süsteeme väikeses vormifaktoris.

Moore'i seadus ja skaleerimine

Gordon Moore'i poolt 1965. aastal välja pakutud Moore'i seadus ütleb, et transistorite arv mikrokiibil kahekordistub ligikaudu iga kahe aasta järel. See on viinud elektroonikaseadmete jõudluse ja võimaluste dramaatilise suurenemiseni viimastel aastakümnetel. Kuid kui transistorid muutuvad järjest väiksemaks, muutub Moore'i seaduse säilitamine üha keerulisemaks. Väljakutsed sisaldavad:

• Kvantiefektid: Väga väikeste mõõtmete korral muutuvad kvantiefektid oluliseks ja võivad mõjutada seadme jõudlust.
• Võimsuse hajumine: Kui transistorid muutuvad tihedamaks, suureneb võimsuse hajumine, mis põhjustab ülekuumenemisprobleeme.
• Valmistamise keerukus: Väiksemate transistorite valmistamine nõuab keerukamaid ja kallimaid tootmisprotsesse.

Vaatamata nendele väljakutsetele arendavad teadlased ja insenerid pidevalt uusi materjale ja valmistamistehnikaid, et jätkata transistoride suuruse vähendamist ja seadme jõudluse parandamist.

Pooljuhttehnoloogia uued suundumused

Uued materjalid

Teadlased uurivad uusi materjale, et asendada või täiendada räni pooljuhtseadmetes. Need sisaldavad:

• Kahemõõtmelised materjalid: Materjalid nagu grafeen ja molübdeendisulfiid (MoS2) pakuvad ainulaadseid elektroonilisi omadusi ja neid saab kasutada ultraõhukeste transistoride ja muude seadmete loomiseks.
• Kõrge-k dielektrikud: Materjale, mille dielektriline konstant on suurem kui ränidioksiidil, kasutatakse MOSFETides lekkevoolu vähendamiseks.
• III-V pooljuhid: Ühendpooljuhte, nagu GaN ja InP, kasutatakse kõrgsageduslikes ja suure võimsusega rakendustes.

3D-integratsioon

3D-integratsioon hõlmab mitme pooljuhtseadme kihi virnastamist üksteise peale, et suurendada integraallülituste tihedust ja jõudlust. See tehnoloogia pakub mitmeid eeliseid, sealhulgas lühemad ühenduspikkused, väiksem energiatarve ja suurem ribalaius.

Neuromorfne arvutus

Neuromorfne arvutus püüab jäljendada inimese aju struktuuri ja funktsiooni, et luua tõhusamaid ja võimsamaid arvuteid. See lähenemisviis hõlmab uut tüüpi elektroonikaseadmete ja arhitektuuride kasutamist, mis suudavad paralleelselt töödelda ja andmetest õppida.

Kvantarvutus

Kvantarvutus kasutab kvantmehaanilisi nähtusi, nagu superpositsioon ja põimumine, et teostada arvutusi, mis on klassikaliste arvutite jaoks võimatud. Kvantarvutitel on potentsiaal revolutsioonida selliseid valdkondi nagu ravimite avastamine, materjaliteadus ja krüptograafia.

Globaalne pooljuhtide tööstus

Pooljuhtide tööstus on globaalne tööstus, mille peamised tegijad asuvad erinevates riikides üle maailma. Peamised piirkonnad sisaldavad:

• Ameerika Ühendriigid: Koduks paljudele maailma juhtivatele pooljuhifirmadele, sealhulgas Intel, AMD ja Qualcomm.
• Taiwan: Pooljuhtide tootmise peamine keskus, kus sellised ettevõtted nagu TSMC ja UMC domineerivad valukodude turul.
• Lõuna-Korea: Koduks Samsungile ja SK Hynixile, mis on mälu kiipide ja muude pooljuhtseadmete juhtivad tootjad.
• Hiina: Kiiresti kasvav pooljuhtide turg, kus suurenevad investeeringud kodumaistesse tootmisvõimalustesse.
• Jaapan: Koduks sellistele ettevõtetele nagu Renesas Electronics ja Toshiba, mis on spetsialiseerunud autotööstuse pooljuhtidele ja muudele elektroonilistele komponentidele.
• Euroopa: Ettevõtetega nagu Infineon ja NXP, keskendub autotööstuse, tööstuslike ja turvarakendustele.

Globaalne pooljuhtide tööstus on väga konkurentsivõimeline, ettevõtted uuendavad pidevalt uusi materjale, seadmeid ja tootmisprotsesse. Valitsuse poliitika, kaubanduslepingud ja geopoliitilised tegurid mängivad samuti olulist rolli tööstuse maastiku kujundamisel.

Pooljuhttehnoloogia tulevik

Pooljuhttehnoloogia areneb pidevalt, mida juhib pidev nõudlus kiiremate, väiksemate ja energiatõhusamate elektroonikaseadmete järele. Pooljuhttehnoloogia tulevik hõlmab tõenäoliselt:

• Pidev skaleerimine: Teadlased jätkavad miniatuursuse piiride nihutamist, uurides uusi materjale ja valmistamistehnikaid väiksemate ja võimsamate transistoride loomiseks.
• Rohkem spetsialiseeritud seadmeid: Pooljuhtseadmed muutuvad üha spetsialiseeritumaks konkreetsetele rakendustele, näiteks tehisintellekt, asjade internet (IoT) ja autotööstuse elektroonika.
• Suurem integratsioon: 3D-integratsioon ja muud täiustatud pakendamistehnoloogiad võimaldavad luua keerukamaid ja integreeritumaid süsteeme.
• Jätkusuutlik tootmine: Keskendumine keskkonnamõju vähendamisele ja jätkusuutlike tootmistavade edendamisele.

Mõistes elektrooniliste materjalide ja pooljuhttehnoloogia põhiprintsiipe, saavad üksikisikud ja organisatsioonid paremini hakkama selle dünaamilise ja kiiresti areneva valdkonna väljakutsete ja võimalustega.

Järeldus

Pooljuhttehnoloogia on moodsa ühiskonna kriitiline võimaldaja, mis toetab lugematuid elektroonikaseadmeid ja -süsteeme. Kuna liigume üha digitaalsema maailma poole, kasvab pooljuhtide tähtsus ainult edasi. See juhend on andnud põhjaliku ülevaate elektroonilistest materjalidest, keskendudes pooljuhttehnoloogiale, peamistele materjalidele, valmistamisprotsessidele ja tulevikusuundumustele. Neid põhikontseptsioone mõistes saavad lugejad sügavama tunnustuse pooljuhtide tööstuse keerukuse ja väljakutsete ning selle mõju kohta globaalsele majandusele.