Elektroniskie materiāli: Pusvadītāju tehnoloģija

Pusvadītāju tehnoloģija veido moderno elektronikas pamatu, nodrošinot visu, sākot no viedtālruņiem un datoriem līdz medicīnas ierīcēm un automašīnu sistēmām. Izpratne par materiāliem un procesiem, kas saistīti ar pusvadītāju izgatavošanu, ir būtiska ikvienam, kas iesaistīts elektronikas nozarē, sākot no inženieriem un zinātniekiem līdz uzņēmumu profesionāļiem un investoriem. Šī visaptverošā rokasgrāmata sniedz padziļinātu ieskatu elektroniskajos materiālos, koncentrējoties uz pusvadītāju tehnoloģiju un tās globālo ietekmi.

Kas ir elektroniskie materiāli?

Elektroniskie materiāli ir vielas ar elektriskām īpašībām, kas padara tās piemērotas lietošanai elektroniskās ierīcēs. Šos materiālus var plaši klasificēt kā vadītājus, izolatorus un pusvadītājus.

• Vadītāji, piemēram, varš un alumīnijs, ļauj elektrībai viegli plūst caur tiem.
• Izolatori, piemēram, stikls un keramika, pretojas elektrības plūsmai.
• Pusvadītāji, piemēram, silīcijs un germānijs, ir vadītspēja starp vadītājiem un izolatoriem. To vadītspēju var kontrolēt ar ārējiem faktoriem, padarot tos ideāli piemērotus tranzistoru un citu elektronisko komponentu veidošanai.

Šī rokasgrāmata galvenokārt koncentrējas uz pusvadītājiem, īpaši tiem, ko izmanto integrālo shēmu (IC) izgatavošanā.

Pusvadītāju materiāli: Galvenie spēlētāji

Silīcijs (Si)

Silīcijs ir līdz šim visplašāk izmantotais pusvadītāju materiāls. Tā daudzums, salīdzinoši zemās izmaksas un labi izveidotie izgatavošanas procesi ir padarījuši to par dominējošo materiālu elektronikas nozarē. Silīcija spēja veidot dabīgu oksīdu (SiO2), kas ir lielisks izolators, ir arī liels ieguvums.

Silīcija priekšrocības:

• Daudzums: Silīcijs ir otrais visvairāk sastopamais elements Zemes garozā.
• Izmaksu efektivitāte: Silīcija apstrādes tehnoloģija ir nobriedusi un salīdzinoši lēta.
• Lielisks izolators: Silīcija dioksīds (SiO2) ir augstas kvalitātes izolators, ko izmanto MOSFET ierīcēs.
• Termiskā stabilitāte: Laba termiskā stabilitāte tipiskās darba temperatūrās.

Silīcija trūkumi:

• Zemāka elektronu mobilitāte: Salīdzinot ar citiem pusvadītājiem, silīcijam ir zemāka elektronu mobilitāte, kas ierobežo ierīču ātrumu.
• Netiešā joslu sprauga: Silīcijam ir netiešā joslu sprauga, padarot to mazāk efektīvu optoelektroniskām lietojumprogrammām (piem., LED, lāzeri).

Germānijs (Ge)

Germānijs bija viens no pirmajiem pusvadītāju materiāliem, ko izmantoja tranzistoros, taču tas ir lielā mērā aizstāts ar silīciju tā zemākās joslu spraugas un augstākās jutības pret temperatūru dēļ. Tomēr germānijs joprojām tiek izmantots dažās specializētās lietojumprogrammās, piemēram, augstfrekvences ierīcēs un infrasarkanajos detektoros.

Germānija priekšrocības:

• Augstāka elektronu un caurumu mobilitāte: Germānijam ir augstāka elektronu un caurumu mobilitāte nekā silīcijam, padarot to piemērotu ātrgaitas ierīcēm.

Germānija trūkumi:

• Zemāka joslu sprauga: Germānijam ir zemāka joslu sprauga nekā silīcijam, izraisot augstāku noplūdes strāvu istabas temperatūrā.
• Augstākas izmaksas: Germānijs ir dārgāks nekā silīcijs.
• Termiskā nestabilitāte: Mazāk stabils nekā silīcijs augstākās temperatūrās.

Gallija Arsenīds (GaAs)

Gallija arsenīds ir savienojuma pusvadītājs, kas piedāvā labāku veiktspēju nekā silīcijs noteiktās lietojumprogrammās. Tam ir augstāka elektronu mobilitāte nekā silīcijam un tiešā joslu sprauga, padarot to piemērotu augstfrekvences ierīcēm, optoelektroniskām ierīcēm (piem., LED, lāzeri) un saules baterijām.

Gallija Arsenīda priekšrocības:

• Augsta elektronu mobilitāte: GaAs ir ievērojami augstāka elektronu mobilitāte nekā silīcijam, nodrošinot ātrākas ierīces.
• Tiešā joslu sprauga: GaAs ir tiešā joslu sprauga, padarot to efektīvu optoelektroniskām lietojumprogrammām.
• Daļēji izolējoši substrāti: GaAs substrātus var padarīt daļēji izolējošus, samazinot parazītisko kapacitāti augstfrekvences ķēdēs.

Gallija Arsenīda trūkumi:

• Augstākas izmaksas: GaAs ir dārgāks nekā silīcijs.
• Zemāka caurumu mobilitāte: GaAs ir zemāka caurumu mobilitāte nekā silīcijam.
• Trausls: GaAs ir trauslāks un grūtāk apstrādājams nekā silīcijs.
• Toksiskums: Arsens ir toksisks, radot vides un drošības problēmas.

Citi savienojumu pusvadītāji

Papildus gallija arsenīdam citus savienojumu pusvadītājus izmanto specializētās lietojumprogrammās. Tie ietver:

• Indija Fosfīds (InP): Izmanto ātrgaitas optoelektroniskās ierīcēs un augstfrekvences ķēdēs.
• Gallija Nitrīds (GaN): Izmanto augstas jaudas un augstfrekvences ierīcēs, kā arī LED un lāzeros.
• Silīcija Karbīds (SiC): Izmanto augstas jaudas un augstas temperatūras ierīcēs.
• Dzīvsudraba Kadmija Tellurīds (HgCdTe): Izmanto infrasarkanajos detektoros.

Pusvadītāju izgatavošanas procesi: No plāksnes līdz mikroshēmai

Pusvadītāju izgatavošana ir sarežģīts un daudzpakāpju process, kas ietver pusvadītāju plāksnes pārveidošanu par funkcionālu integrēto shēmu. Galvenie soļi ietver:

Plākšņu sagatavošana

Process sākas ar viendabīgu kristālisku pusvadītāju inkota audzēšanu, parasti izmantojot Czochralska vai peldošās zonas procesu. Pēc tam inkots tiek sagriezts plānās plāksnēs, kuras tiek pulētas, lai izveidotu gludu un bezdefektu virsmu.

Fotolitogrāfija

Fotolitogrāfija ir svarīgs solis, kurā modeļi tiek pārnesti uz plāksni. Plāksne tiek pārklāta ar fotorezistējošu materiālu, kas ir jutīgs pret gaismu. Virs plāksnes tiek novietota maska ar vēlamo modeli, un plāksne tiek pakļauta ultravioletajai gaismai. Pakļautās fotorezistējošās vietas tiek vai nu noņemtas (pozitīvais fotorezists), vai paliek (negatīvais fotorezists), izveidojot uz plāksnes rakstainu slāni.

Kodēšana

Kodēšana tiek izmantota, lai noņemtu materiālu no plāksnes vietās, ko nav aizsargājis fotorezists. Ir divi galvenie kodēšanas veidi: mitrā kodēšana un sausā kodēšana. Mitrā kodēšanā materiāla noņemšanai tiek izmantoti ķīmiski šķīdumi, savukārt sausā kodēšanā materiāla noņemšanai tiek izmantota plazma.

Dopēšana

Dopēšana ir procesu, kurā pusvadītāju materiālā tiek ieviesti piemaisījumi, lai mainītu tā elektrisko vadītspēju. Divi galvenie dopēšanas veidi ir n-tipa dopēšana (elementu ieviešana ar vairāk valences elektroniem, piemēram, fosforu vai arsēnu) un p-tipa dopēšana (elementu ieviešana ar mazāk valences elektroniem, piemēram, boru vai galliju). Dopēšana parasti tiek panākta ar jonu implantāciju vai difūziju.

Plāno slāņu nogulsnēšana

Plāno slāņu nogulsnēšana tiek izmantota, lai uz plāksnes nogulsnētu dažādu materiālu plānus slāņus. Izplatītās nogulsnēšanas metodes ietver:

• Ķīmiskā tvaiku nogulsnēšana (CVD): Uz plāksnes virsmas notiek ķīmiska reakcija, nogulsnējot plānu slāni.
• Fiziskā tvaiku nogulsnēšana (PVD): Materiāls tiek iztvaicēts vai izšauts no mērķa un nogulsnēts uz plāksnes.
• Atomu slāņu nogulsnēšana (ALD): Plāns slānis tiek nogulsnēts slānis pa slānim, nodrošinot precīzu slāņa biezuma un sastāva kontroli.

Metalizācija

Metalizācija tiek izmantota, lai izveidotu elektriskus savienojumus starp dažādām shēmas daļām. Metāla slāņi, parasti alumīnijs vai varš, tiek nogulsnēti un raksturoti, lai veidotu savienojumus.

Testēšana un iepakošana

Pēc izgatavošanas plāksnes tiek testētas, lai nodrošinātu, ka shēmas darbojas pareizi. Bojātās shēmas tiek izmestas. Funkcionālās shēmas pēc tam tiek atdalītas no plāksnes (griešana) un iepakotas atsevišķās mikroshēmās. Iepakojums aizsargā mikroshēmu no vides un nodrošina elektriskus savienojumus ar ārpasauli.

Galvenās pusvadītāju ierīces

Diodes

Diodes ir divu terminālu elektroniskais komponents, kas galvenokārt vada strāvu vienā virzienā. Diodes tiek izmantotas dažādās lietojumprogrammās, piemēram, taisngriežos, sprieguma regulatoros un slēdžos.

Tranzistori

Tranzistors ir trīs terminālu elektroniskais komponents, ko var izmantot kā slēdzi vai pastiprinātāju. Divi galvenie tranzistoru veidi ir:

• Bipolārie savienojumu tranzistori (BJT): BJT izmanto gan elektronus, gan caurumus strāvas vadīšanai.
• Lauka efektu tranzistori (FET): FET izmanto elektrisko lauku, lai kontrolētu strāvas plūsmu. Visizplatītākais FET veids ir metāla-oksīda-pusvadītāju lauka efektu tranzistors (MOSFET).

MOSFET ir moderno digitālo ķēžu darba zirgi. Tos izmanto visā, sākot no mikroprocesoriem līdz atmiņas mikroshēmām.

Integrālās shēmas (IC)

Integrālā shēma (IC), pazīstama arī kā mikroshēma vai čips, ir miniaturizēta elektroniskā shēma, kas satur daudz komponentu, piemēram, tranzistorus, diodes, rezistorus un kondensatorus, kas izgatavoti uz viena pusvadītāju substrāta. IC ļauj radīt sarežģītas elektroniskās sistēmas mazā formā.

Mūra Likums un mērogošana

Mūra likums, ko 1965. gadā formulējis Gordons Mūrs, nosaka, ka transistoru skaits uz mikroshēmas dubultojas aptuveni ik pēc diviem gadiem. Tas ir novedis pie dramatiska elektronisko ierīču veiktspējas un iespēju pieauguma pēdējās desmitgadēs. Tomēr, tā kā tranzistori kļūst arvien mazāki, ir arvien grūtāk uzturēt Mūra likumu. Izaicinājumi ietver:

• Kvantitatīvie efekti: Ļoti mazos izmēros kvantitatīvie efekti kļūst nozīmīgi un var ietekmēt ierīču veiktspēju.
• Jaudas izkliede: Tā kā tranzistori kļūst blīvāki, palielinās jaudas izkliede, izraisot pārkaršanas problēmas.
• Izgatavošanas sarežģītība: Mazāku tranzistoru izgatavošana prasa sarežģītākus un dārgākus ražošanas procesus.

Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, pētnieki un inženieri pastāvīgi izstrādā jaunus materiālus un izgatavošanas metodes, lai turpinātu samazināt tranzistoru izmērus un uzlabotu ierīču veiktspēju.

Jaunākās tendences pusvadītāju tehnoloģijā

Jauni materiāli

Pētnieki izpēta jaunus materiālus, lai aizstātu vai papildinātu silīciju pusvadītāju ierīcēs. Tie ietver:

• Divdimensiju materiāli: Materiāli, piemēram, grafēns un molibdēna disulfīds (MoS2), piedāvā unikālas elektroniskās īpašības un var tikt izmantoti ultra-plānu tranzistoru un citu ierīču izveidošanai.
• Augstas-k dielektriķi: Materiāli ar augstākiem dielektriskajiem konstantiem nekā silīcija dioksīds tiek izmantoti, lai samazinātu noplūdes strāvu MOSFET ierīcēs.
• III-V savienojumu pusvadītāji: Savienojumu pusvadītāji, piemēram, GaN un InP, tiek izmantoti augstfrekvences un augstas jaudas lietojumprogrammās.

3D integrācija

3D integrācija ietver vairāku pusvadītāju ierīču slāņu sakraušanu vienu virs otra, lai palielinātu integrēto shēmu blīvumu un veiktspēju. Šī tehnoloģija piedāvā vairākas priekšrocības, ieskaitot īsākus savienojumu garumus, zemāku enerģijas patēriņu un palielinātu joslas platumu.

Neiromorfiskā skaitļošana

Neiromorfiskā skaitļošana cenšas atdarināt cilvēka smadzeņu struktūru un funkciju, lai radītu efektīvākus un jaudīgākus datorus. Šī pieeja ietver jaunu veidu elektronisko ierīču un arhitektūru izmantošanu, kas spēj veikt paralēlu apstrādi un mācīties no datiem.

Kvantitatīvā skaitļošana

Kvantitatīvā skaitļošana izmanto kvantitatīvi mehāniskos fenomenus, piemēram, superpozīciju un savstarpēju savienojumu, lai veiktu aprēķinus, kas nav iespējami klasiskajiem datoriem. Kvantitatīvajiem datoriem ir potenciāls revolucionizēt tādas jomas kā zāļu atklāšana, materiālzinātne un kriptogrāfija.

Globālā pusvadītāju nozare

Pusvadītāju rūpniecība ir globāla nozare, kurā galvenie spēlētāji atrodas dažādās pasaules valstīs. Galvenie reģioni ietver:

• Amerikas Savienotās Valstis: Mūsu mājvieta daudziem pasaules vadošajiem pusvadītāju uzņēmumiem, ieskaitot Intel, AMD un Qualcomm.
• Taivāna: Galvenais pusvadītāju ražošanas centrs, kur tādi uzņēmumi kā TSMC un UMC dominē lietuvju tirgū.
• Dienvidkoreja: Samsung un SK Hynix, vadošo atmiņas mikroshēmu un citu pusvadītāju ierīču ražotāju mājvieta.
• Ķīna: Strauji augošais pusvadītāju tirgus, ar pieaugošām investīcijām vietējās ražošanas iespējās.
• Japāna: Mūsu mājvieta tādiem uzņēmumiem kā Renesas Electronics un Toshiba, kas specializējas automašīnu pusvadītājos un citos elektroniskos komponentos.
• Eiropa: Ar tādiem uzņēmumiem kā Infineon un NXP, koncentrējas uz automašīnu, rūpniecības un drošības lietojumprogrammām.

Globālā pusvadītāju nozare ir ļoti konkurētspējīga, uzņēmumiem nepārtraukti inovējot, lai izstrādātu jaunus materiālus, ierīces un ražošanas procesus. Valdības politikai, tirdzniecības nolīgumiem un ģeopolitiskiem faktoriem ir arī nozīmīga loma nozares ainavas veidošanā.

Pusvadītāju tehnoloģijas nākotne

Pusvadītāju tehnoloģija pastāvīgi attīstās, ko virza arvien pieaugošais pieprasījums pēc ātrākām, mazākām un energoefektīvākām elektroniskām ierīcēm. Pusvadītāju tehnoloģijas nākotnē, visticamāk, ietvers:

• Nepārtraukta mērogošana: Pētnieki turpinās attīstīt miniaturizācijas robežas, izpētot jaunus materiālus un izgatavošanas metodes, lai radītu mazākus un jaudīgākus tranzistorus.
• Vairāk specializētu ierīču: Pusvadītāju ierīces kļūs arvien vairāk specializētas konkrētām lietojumprogrammām, piemēram, mākslīgajam intelektam, lietu internetam (IoT) un automašīnu elektronikai.
• Lielāka integrācija: 3D integrācija un citas progresīvas iepakošanas tehnoloģijas ļaus radīt sarežģītākas un integrētākas sistēmas.
• Ilgtspējīga ražošana: Fokuss uz vides ietekmes samazināšanu un ilgtspējīgu ražošanas prakses veicināšanu.

Izprotot elektronisko materiālu un pusvadītāju tehnoloģijas pamatprincipus, indivīdi un organizācijas var labāk pozicionēties, lai pārvarētu šīs dinamiskās un strauji mainīgās jomas izaicinājumus un iespējas.

Secinājums

Pusvadītāju tehnoloģija ir kritiski svarīgs mūsdienu sabiedrības virzītājspēks, kas nodrošina neskaitāmas elektroniskās ierīces un sistēmas. Tā kā mēs virzāmies uz arvien digitālāku pasauli, pusvadītāju nozīme tikai turpinās pieaugt. Šī rokasgrāmata ir sniegusi visaptverošu pārskatu par elektroniskajiem materiāliem, koncentrējoties uz pusvadītāju tehnoloģiju, galvenajiem materiāliem, izgatavošanas procesiem un nākotnes tendencēm. Izprotot šos pamatkoncepcijas, lasītāji var gūt dziļāku izpratni par pusvadītāju nozares sarežģītību un izaicinājumiem, kā arī tās ietekmi uz globālo ekonomiku.