Elektronički materijali: Poluvodička tehnologija

Poluvodička tehnologija čini okosnicu moderne elektronike, podupirući sve, od pametnih telefona i računala do medicinskih uređaja i automobilskih sustava. Razumijevanje materijala i procesa uključenih u izradu poluvodiča ključno je za sve uključene u elektroničku industriju, od inženjera i znanstvenika do poslovnih profesionalaca i investitora. Ovaj sveobuhvatni vodič pruža duboki uvid u elektroničke materijale, fokusirajući se na poluvodičku tehnologiju i njezin globalni utjecaj.

Što su elektronički materijali?

Elektronički materijali su tvari s električnim svojstvima koja ih čine prikladnima za upotrebu u elektroničkim uređajima. Ovi materijali se mogu široko klasificirati u vodiče, izolatore i poluvodiče.

• Vodiči, poput bakra i aluminija, omogućuju jednostavan protok električne energije kroz njih.
• Izolatori, poput stakla i keramike, sprječavaju protok električne energije.
• Poluvodiči, poput silicija i germanija, imaju vodljivost između vodljivosti vodiča i izolatora. Njihova se vodljivost može kontrolirati vanjskim čimbenicima, što ih čini idealnim za izradu tranzistora i drugih elektroničkih komponenti.

Ovaj vodič se prvenstveno fokusira na poluvodiče, posebno one koji se koriste u izradi integriranih krugova (IC).

Poluvodički materijali: Ključni akteri

Silicij (Si)

Silicij je daleko najčešće korišten poluvodički materijal. Njegova rasprostranjenost, relativno niska cijena i dobro uspostavljeni proizvodni procesi učinili su ga dominantnim materijalom u elektroničkoj industriji. Sposobnost silicija da stvara izvorni oksid (SiO2), koji je izvrstan izolator, također je velika prednost.

Prednosti silicija:

• Rasprostranjenost: Silicij je drugi najrasprostranjeniji element u Zemljinoj kori.
• Isplativost: Tehnologija obrade silicija je zrela i relativno jeftina.
• Izvrsni izolator: Silicijev dioksid (SiO2) je visokokvalitetan izolator koji se koristi u MOSFET-ima.
• Toplinska stabilnost: Dobra toplinska stabilnost pri tipičnim radnim temperaturama.

Nedostaci silicija:

• Niža pokretljivost elektrona: U usporedbi s drugim poluvodičima, silicij ima nižu pokretljivost elektrona, što ograničava brzinu uređaja.
• Neizravni pojasni razmak: Silicij ima neizravni pojasni razmak, što ga čini manje učinkovitim za optoelektroničke primjene (npr. LED diode, laseri).

Germanij (Ge)

Germanij je bio jedan od prvih poluvodičkih materijala korištenih u tranzistorima, ali ga je uvelike zamijenio silicij zbog nižeg pojasnog razmaka i veće osjetljivosti na temperaturu. Međutim, germanij se još uvijek koristi u nekim specijaliziranim primjenama, kao što su visokofrekventni uređaji i infracrveni detektori.

Prednosti germanija:

• Viša pokretljivost elektrona i šupljina: Germanij ima višu pokretljivost elektrona i šupljina od silicija, što ga čini prikladnim za uređaje velike brzine.

Nedostaci germanija:

• Niži pojasni razmak: Germanij ima niži pojasni razmak od silicija, što dovodi do veće struje propuštanja na sobnoj temperaturi.
• Viša cijena: Germanij je skuplji od silicija.
• Toplinska nestabilnost: Manje stabilan od silicija na višim temperaturama.

Galijev arsenid (GaAs)

Galijev arsenid je složeni poluvodič koji nudi superiorne performanse u usporedbi sa silicijem u određenim primjenama. Ima veću pokretljivost elektrona od silicija i izravni pojasni razmak, što ga čini prikladnim za visokofrekventne uređaje, optoelektroničke uređaje (npr. LED diode, lasere) i solarne ćelije.

Prednosti galijevog arsenida:

• Visoka pokretljivost elektrona: GaAs ima značajno veću pokretljivost elektrona od silicija, što omogućuje brže uređaje.
• Izravni pojasni razmak: GaAs ima izravni pojasni razmak, što ga čini učinkovitim za optoelektroničke primjene.
• Poluizolacijske podloge: GaAs podloge mogu se učiniti poluizolacijskim, smanjujući parazitske kapacitivnosti u visokofrekventnim krugovima.

Nedostaci galijevog arsenida:

• Viša cijena: GaAs je skuplji od silicija.
• Niža pokretljivost šupljina: GaAs ima nižu pokretljivost šupljina od silicija.
• Krhkost: GaAs je krhkiji i teže se obrađuje od silicija.
• Toksičnost: Arsen je otrovan, što izaziva zabrinutost za okoliš i sigurnost.

Ostali složeni poluvodiči

Osim galijevog arsenida, drugi složeni poluvodiči koriste se u specijaliziranim primjenama. To uključuje:

• Indijev fosfid (InP): Koristi se u brzinskim optoelektroničkim uređajima i visokofrekventnim krugovima.
• Galijev nitrid (GaN): Koristi se u uređajima velike snage i visoke frekvencije, kao i u LED diodama i laserima.
• Silicijev karbid (SiC): Koristi se u uređajima velike snage i visoke temperature.
• Živin kadmijev telur (HgCdTe): Koristi se u infracrvenim detektorima.

Procesi izrade poluvodiča: Od pločice do čipa

Izrada poluvodiča je složen proces u više koraka koji uključuje pretvaranje poluvodičke pločice u funkcionalni integrirani krug. Glavni koraci uključuju:

Priprema pločice

Proces započinje rastom monokristalnog poluvodičkog ingota, obično koristeći Czochralski proces ili proces plivajuće zone. Ingot se zatim reže na tanke pločice, koje se poliraju kako bi se stvorila glatka površina bez nedostataka.

Fotolitografija

Fotolitografija je ključni korak u kojem se uzorci prenose na pločicu. Pločica je premazana fotorezistnim materijalom, koji je osjetljiv na svjetlost. Maska koja sadrži željeni uzorak postavlja se preko pločice, a pločica se izlaže ultraljubičastom svjetlu. Izložena područja fotorezista se uklanjaju (pozitivni fotorezist) ili ostaju (negativni fotorezist), stvarajući sloj s uzorkom na pločici.

Jetkanje

Jetkanje se koristi za uklanjanje materijala s pločice u područjima koja nisu zaštićena fotorezistom. Postoje dvije glavne vrste jetkanja: mokro jetkanje i suho jetkanje. Mokro jetkanje koristi kemijske otopine za uklanjanje materijala, dok suho jetkanje koristi plazmu za uklanjanje materijala.

Dopiranje

Dopiranje je proces unošenja nečistoća u poluvodički materijal kako bi se promijenila njegova električna vodljivost. Dvije glavne vrste dopiranja su dopiranje n-tipa (unošenje elemenata s više valentnih elektrona, poput fosfora ili arsena) i dopiranje p-tipa (unošenje elemenata s manje valentnih elektrona, poput bora ili galija). Dopiranje se obično postiže ionskom implantacijom ili difuzijom.

Taloženje tankog filma

Taloženje tankog filma koristi se za nanošenje tankih slojeva različitih materijala na pločicu. Uobičajene tehnike taloženja uključuju:

• Kemijsko taloženje iz parne faze (CVD): Kemijska reakcija se odvija na površini pločice, taložeći tanki film.
• Fizičko taloženje iz parne faze (PVD): Materijal se isparava ili raspršuje s mete i taloži na pločicu.
• Taloženje atomskih slojeva (ALD): Tanki film se taloži sloj po sloj, omogućujući preciznu kontrolu debljine i sastava filma.

Metalizacija

Metalizacija se koristi za stvaranje električnih veza između različitih dijelova kruga. Metalni slojevi, tipično aluminij ili bakar, talože se i obrađuju kako bi se formirale međusobne veze.

Testiranje i pakiranje

Nakon izrade, pločice se testiraju kako bi se osiguralo ispravno funkcioniranje krugova. Neispravni krugovi se odbacuju. Funkcionalni krugovi se zatim odvajaju od pločice (rezanje) i pakiraju u pojedinačne čipove. Pakiranje štiti čip od okoline i pruža električne veze s vanjskim svijetom.

Ključni poluvodički uređaji

Diode

Dioda je dvoterminalna elektronička komponenta koja provodi struju prvenstveno u jednom smjeru. Diode se koriste u različitim primjenama, kao što su ispravljači, regulatori napona i sklopke.

Tranzistori

Tranzistor je troterminalna elektronička komponenta koja se može koristiti kao sklopka ili pojačalo. Dvije glavne vrste tranzistora su:

• Bipolarni spojni tranzistori (BJT): BJT-ovi koriste i elektrone i šupljine za provođenje struje.
• Tranzistori s efektom polja (FET): FET-ovi koriste električno polje za kontrolu protoka struje. Najčešći tip FET-a je tranzistor s efektom polja metal-oksid-poluvodič (MOSFET).

MOSFET-ovi su radni konji modernih digitalnih krugova. Koriste se u svemu, od mikroprocesora do memorijskih čipova.

Integrirani krugovi (IC)

Integrirani krug (IC), također poznat kao mikročip ili čip, je minijaturizirani elektronički krug koji sadrži mnoge komponente, poput tranzistora, dioda, otpornika i kondenzatora, izrađene na jednoj poluvodičkoj podlozi. IC-ovi omogućuju stvaranje složenih elektroničkih sustava u malom formatu.

Mooreov zakon i skaliranje

Mooreov zakon, koji je predložio Gordon Moore 1965. godine, kaže da se broj tranzistora na mikročipu udvostručuje otprilike svake dvije godine. To je dovelo do dramatičnog povećanja performansi i mogućnosti elektroničkih uređaja tijekom posljednjih nekoliko desetljeća. Međutim, kako tranzistori postaju sve manji, postaje sve teže održati Mooreov zakon. Izazovi uključuju:

• Kvantni efekti: Pri vrlo malim dimenzijama, kvantni efekti postaju značajni i mogu utjecati na performanse uređaja.
• Rasipanje snage: Kako tranzistori postaju gušći, rasipanje snage se povećava, što dovodi do problema s pregrijavanjem.
• Složenost izrade: Izrada manjih tranzistora zahtijeva složenije i skuplje proizvodne procese.

Unatoč tim izazovima, istraživači i inženjeri neprestano razvijaju nove materijale i tehnike izrade kako bi nastavili smanjivati veličinu tranzistora i poboljšavati performanse uređaja.

Nadolazeći trendovi u poluvodičkoj tehnologiji

Novi materijali

Istraživači istražuju nove materijale za zamjenu ili dopunu silicija u poluvodičkim uređajima. To uključuje:

• Dvodimenzionalni materijali: Materijali poput grafena i molibden disulfida (MoS2) nude jedinstvena elektronička svojstva i mogu se koristiti za stvaranje ultra tankih tranzistora i drugih uređaja.
• Visoko-k dielektrici: Materijali s višim dielektričnim konstantama od silicijevog dioksida koriste se za smanjenje struje propuštanja u MOSFET-ima.
• III-V poluvodiči: Složeni poluvodiči poput GaN-a i InP-a koriste se u visokofrekventnim aplikacijama i aplikacijama velike snage.

3D integracija

3D integracija uključuje slaganje više slojeva poluvodičkih uređaja jedan na drugi kako bi se povećala gustoća i performanse integriranih krugova. Ova tehnologija nudi nekoliko prednosti, uključujući kraće duljine međusobnih veza, manju potrošnju energije i povećanu propusnost.

Neuromorfno računalstvo

Neuromorfno računalstvo ima za cilj oponašati strukturu i funkciju ljudskog mozga kako bi se stvorila učinkovitija i snažnija računala. Ovaj pristup uključuje korištenje novih vrsta elektroničkih uređaja i arhitektura koje mogu izvoditi paralelnu obradu i učiti iz podataka.

Kvantno računalstvo

Kvantno računalstvo koristi kvantno-mehaničke pojave, poput superpozicije i zapetljanosti, za izvođenje izračuna koji su nemogući za klasična računala. Kvantna računala imaju potencijal revolucionirati područja kao što su otkrivanje lijekova, znanost o materijalima i kriptografija.

Globalna industrija poluvodiča

Industrija poluvodiča je globalna industrija, s glavnim igračima smještenim u raznim zemljama diljem svijeta. Ključne regije uključuju:

• Sjedinjene Države: Dom mnogih vodećih svjetskih tvrtki za poluvodiče, uključujući Intel, AMD i Qualcomm.
• Tajvan: Glavno središte za proizvodnju poluvodiča, s tvrtkama kao što su TSMC i UMC koje dominiraju tržištem ljevaonica.
• Južna Koreja: Dom Samsunga i SK Hynixa, vodećih proizvođača memorijskih čipova i drugih poluvodičkih uređaja.
• Kina: Brzo rastuće tržište poluvodiča, s rastućim ulaganjima u domaće proizvodne kapacitete.
• Japan: Dom tvrtki kao što su Renesas Electronics i Toshiba, koje su specijalizirane za automobilske poluvodiče i druge elektroničke komponente.
• Europa: S tvrtkama poput Infineona i NXP-a, fokusira se na automobilske, industrijske i sigurnosne primjene.

Globalna industrija poluvodiča je izrazito konkurentna, s tvrtkama koje neprestano inoviraju kako bi razvile nove materijale, uređaje i proizvodne procese. Vladine politike, trgovinski sporazumi i geopolitički čimbenici također igraju značajnu ulogu u oblikovanju industrijskog krajolika.

Budućnost poluvodičke tehnologije

Poluvodička tehnologija se stalno razvija, potaknuta sve većom potražnjom za bržim, manjim i energetski učinkovitijim elektroničkim uređajima. Budućnost poluvodičke tehnologije vjerojatno će uključivati:

• Nastavak skaliranja: Istraživači će nastaviti pomicati granice minijaturizacije, istražujući nove materijale i tehnike izrade za stvaranje manjih i snažnijih tranzistora.
• Specijaliziraniji uređaji: Poluvodički uređaji postat će sve specijaliziraniji za specifične primjene, kao što su umjetna inteligencija, Internet stvari (IoT) i automobilska elektronika.
• Veća integracija: 3D integracija i druge napredne tehnologije pakiranja omogućit će stvaranje složenijih i integriranijih sustava.
• Održiva proizvodnja: Fokus na smanjenju utjecaja na okoliš i promicanje održivih proizvodnih praksi.

Razumijevanjem temeljnih načela elektroničkih materijala i poluvodičke tehnologije, pojedinci i organizacije mogu biti bolje pozicionirani za snalaženje u izazovima i prilikama ovog dinamičnog i brzo razvijajućeg područja.

Zaključak

Poluvodička tehnologija je kritični pokretač modernog društva, podupirući bezbroj elektroničkih uređaja i sustava. Kako se krećemo prema sve digitalnijem svijetu, važnost poluvodiča samo će rasti. Ovaj vodič je pružio sveobuhvatan pregled elektroničkih materijala, fokusirajući se na poluvodičku tehnologiju, ključne materijale, procese izrade i buduće trendove. Razumijevanjem ovih temeljnih koncepata, čitatelji mogu steći dublje razumijevanje složenosti i izazova industrije poluvodiča i njezinog utjecaja na globalno gospodarstvo.