Elektronski materiali: Polprevodniška tehnologija

Polprevodniška tehnologija je hrbtenica sodobne elektronike, ki podpira vse, od pametnih telefonov in računalnikov do medicinskih pripomočkov in avtomobilskih sistemov. Razumevanje materialov in procesov, ki so vključeni v izdelavo polprevodnikov, je ključnega pomena za vse, ki so vključeni v elektronsko industrijo, od inženirjev in znanstvenikov do poslovnih strokovnjakov in vlagateljev. Ta obsežen vodnik ponuja poglobljen vpogled v elektronske materiale s poudarkom na polprevodniški tehnologiji in njenem globalnem vplivu.

Kaj so elektronski materiali?

Elektronski materiali so snovi z električnimi lastnostmi, zaradi katerih so primerne za uporabo v elektronskih napravah. Te materiale lahko na splošno razvrstimo v prevodnike, izolatorje in polprevodnike.

• Prevodniki, kot sta baker in aluminij, omogočajo enostaven pretok električnega toka skozi njih.
• Izolatorji, kot sta steklo in keramika, upirajo pretoku električnega toka.
• Polprevodniki, kot sta silicij in germanij, imajo prevodnost med prevodniki in izolatorji. Njihovo prevodnost je mogoče nadzorovati z zunanjimi dejavniki, zaradi česar so idealni za izdelavo tranzistorjev in drugih elektronskih komponent.

Ta vodnik se osredotoča predvsem na polprevodnike, zlasti tiste, ki se uporabljajo pri izdelavi integriranih vezij (IC).

Polprevodniški materiali: Ključni igralci

Silicij (Si)

Silicij je daleč najpogosteje uporabljen polprevodniški material. Njegova obilica, razmeroma nizka cena in uveljavljeni postopki izdelave so ga naredili za prevladujoč material v elektronski industriji. Sposobnost silicija, da tvori naravni oksid (SiO2), ki je odličen izolator, je tudi velika prednost.

Prednosti silicija:

• Obilica: Silicij je drugi najpogostejši element v zemeljski skorji.
• Stroškovna učinkovitost: Tehnologija obdelave silicija je zrela in razmeroma poceni.
• Odličen izolator: Silicijev dioksid (SiO2) je visokokakovosten izolator, ki se uporablja v MOSFET-ih.
• Toplotna stabilnost: Dobra toplotna stabilnost pri tipičnih delovnih temperaturah.

Slabosti silicija:

• Nižja mobilnost elektronov: V primerjavi z drugimi polprevodniki ima silicij nižjo mobilnost elektronov, kar omejuje hitrost naprav.
• Indirektna energijska reža: Silicij ima indirektno energijsko režo, zaradi česar je manj učinkovit za optoelektronske aplikacije (npr. LED, laserji).

Germanij (Ge)

Germanij je bil eden prvih polprevodniških materialov, ki so se uporabljali v tranzistorjih, vendar ga je silicij v veliki meri nadomestil zaradi njegove manjše energijske reže in večje občutljivosti na temperaturo. Vendar pa se germanij še vedno uporablja v nekaterih specializiranih aplikacijah, kot so visokofrekvenčne naprave in infrardeči detektorji.

Prednosti germanija:

• Višja mobilnost elektronov in lukenj: Germanij ima višjo mobilnost elektronov in lukenj kot silicij, zaradi česar je primeren za hitre naprave.

Slabosti germanija:

• Manjša energijska reža: Germanij ima manjšo energijsko režo kot silicij, kar vodi do večjega uhajavega toka pri sobni temperaturi.
• Višji stroški: Germanij je dražji od silicija.
• Toplotna nestabilnost: Manj stabilen kot silicij pri višjih temperaturah.

Galijev arzenid (GaAs)

Galijev arzenid je sestavljeni polprevodnik, ki v določenih aplikacijah ponuja vrhunsko zmogljivost v primerjavi s silicijem. Ima višjo mobilnost elektronov kot silicij in direktno energijsko režo, zaradi česar je primeren za visokofrekvenčne naprave, optoelektronske naprave (npr. LED, laserji) in sončne celice.

Prednosti galijevega arzenida:

• Visoka mobilnost elektronov: GaAs ima znatno višjo mobilnost elektronov kot silicij, kar omogoča hitrejše naprave.
• Direktna energijska reža: GaAs ima direktno energijsko režo, zaradi česar je učinkovit za optoelektronske aplikacije.
• Polizolacijske podlage: GaAs podlage so lahko polizolacijske, kar zmanjšuje parazitno kapacitivnost v visokofrekvenčnih vezjih.

Slabosti galijevega arzenida:

• Višji stroški: GaAs je dražji od silicija.
• Nižja mobilnost lukenj: GaAs ima nižjo mobilnost lukenj kot silicij.
• Krhkost: GaAs je bolj krhek in težje obdelan kot silicij.
• Toksičnost: Arzenik je strupen, kar vzbuja okoljske in varnostne pomisleke.

Drugi sestavljeni polprevodniki

Poleg galijevega arzenida se v specializiranih aplikacijah uporabljajo tudi drugi sestavljeni polprevodniki. Ti vključujejo:

• Indijev fosfid (InP): Uporablja se v hitrih optoelektronskih napravah in visokofrekvenčnih vezjih.
• Galijev nitrid (GaN): Uporablja se v napravah z visoko močjo in visoko frekvenco, pa tudi v LED in laserjih.
• Silicijev karbid (SiC): Uporablja se v napravah z visoko močjo in visoko temperaturo.
• Živosrebrov kadmijev telurid (HgCdTe): Uporablja se v infrardečih detektorjih.

Postopki izdelave polprevodnikov: Od rezin do čipov

Izdelava polprevodnikov je kompleksen in večstopenjski postopek, ki vključuje preoblikovanje polprevodniške rezine v funkcionalno integrirano vezje. Glavni koraki vključujejo:

Priprava rezin

Postopek se začne z rastjo monokristalnega polprevodniškega ingota, običajno s postopkom Czochralskega ali postopkom plavajoče cone. Ingot se nato razreže na tanke rezine, ki se polirajo, da se ustvari gladka površina brez napak.

Fotolitografija

Fotolitografija je ključni korak, v katerem se vzorci prenesejo na rezino. Rezina je prekrita s fotoresistivnim materialom, ki je občutljiv na svetlobo. Maska, ki vsebuje želeni vzorec, se postavi nad rezino in rezina se izpostavi ultravijolični svetlobi. Izpostavljena območja fotoresista se bodisi odstranijo (pozitivni fotoresist) bodisi ostanejo (negativni fotoresist), kar ustvari vzorčeno plast na rezini.

Jedkanje

Jedkanje se uporablja za odstranjevanje materiala z rezine na območjih, ki niso zaščitena s fotoresistom. Obstajata dve glavni vrsti jedkanja: mokro jedkanje in suho jedkanje. Mokro jedkanje uporablja kemične raztopine za odstranjevanje materiala, medtem ko suho jedkanje uporablja plazmo za odstranjevanje materiala.

Dopiranje

Dopiranje je postopek vnašanja nečistoč v polprevodniški material, da se spremeni njegova električna prevodnost. Dve glavni vrsti dopiranja sta dopiranje tipa n (vnašanje elementov z več valenčnimi elektroni, kot sta fosfor ali arzen) in dopiranje tipa p (vnašanje elementov z manj valenčnimi elektroni, kot sta bor ali galij). Dopiranje se običajno doseže z ionsko implantacijo ali difuzijo.

Depozicija tankih plasti

Depozicija tankih plasti se uporablja za nanašanje tankih plasti različnih materialov na rezino. Pogoste tehnike depozicije vključujejo:

• Kemijska depozicija iz plinske faze (CVD): Na površini rezine pride do kemične reakcije, ki nanese tanko plast.
• Fizikalna depozicija iz plinske faze (PVD): Material se izhlapi ali razprši s tarče in nanese na rezino.
• Atomska depozicija plasti (ALD): Tanki film se nanese plast za plastjo, kar omogoča natančen nadzor nad debelino in sestavo filma.

Metalizacija

Metalizacija se uporablja za ustvarjanje električnih povezav med različnimi deli vezja. Kovinske plasti, običajno aluminij ali baker, se nanesejo in vzorčijo, da tvorijo povezave.

Testiranje in pakiranje

Po izdelavi se rezine testirajo, da se zagotovi pravilno delovanje vezij. Pokvarjena vezja se zavržejo. Funkcionalna vezja se nato ločijo od rezine (razrez) in zapakirajo v posamezne čipe. Embalaža ščiti čip pred okoljem in zagotavlja električne povezave z zunanjim svetom.

Ključne polprevodniške naprave

Diode

Dioda je dvo-terminalna elektronska komponenta, ki prevaja tok predvsem v eni smeri. Diode se uporabljajo v različnih aplikacijah, kot so usmerniki, regulatorji napetosti in stikala.

Tranzistorji

Tranzistor je tri-terminalna elektronska komponenta, ki se lahko uporablja kot stikalo ali ojačevalnik. Dve glavni vrsti tranzistorjev sta:

• Bipolarni spojni tranzistorji (BJT): BJT uporabljajo elektrone in luknje za prevajanje toka.
• Tranzistorji z efektom polja (FET): FET uporabljajo električno polje za nadzor pretoka toka. Najpogostejša vrsta FET je tranzistor z efektom polja s kovinsko-oksidno-polprevodniškim (MOSFET).

MOSFET-i so delovni konji sodobnih digitalnih vezij. Uporabljajo se v vsem, od mikroprocesorjev do pomnilniških čipov.

Integrirana vezja (IC)

Integrirano vezje (IC), znano tudi kot mikročip ali čip, je miniaturizirano elektronsko vezje, ki vsebuje številne komponente, kot so tranzistorji, diode, upori in kondenzatorji, izdelani na eni polprevodniški podlagi. IC omogočajo ustvarjanje kompleksnih elektronskih sistemov v majhnem formatu.

Mooreov zakon in skaliranje

Mooreov zakon, ki ga je leta 1965 predlagal Gordon Moore, pravi, da se število tranzistorjev na mikročipu podvoji približno vsaki dve leti. To je privedlo do dramatičnega povečanja zmogljivosti in zmogljivosti elektronskih naprav v zadnjih desetletjih. Vendar pa, ko tranzistorji postajajo manjši in manjši, postaja vse težje ohranjati Mooreov zakon. Izzivi vključujejo:

• Kvantni učinki: Pri zelo majhnih dimenzijah postanejo kvantni učinki pomembni in lahko vplivajo na delovanje naprave.
• Disipacija moči: Ko tranzistorji postajajo gostejši, se disipacija moči povečuje, kar vodi do težav s pregrevanjem.
• Kompleksnost izdelave: Izdelava manjših tranzistorjev zahteva bolj kompleksne in drage proizvodne postopke.

Kljub tem izzivom raziskovalci in inženirji nenehno razvijajo nove materiale in tehnike izdelave, da bi še naprej zmanjševali velikost tranzistorjev in izboljševali delovanje naprav.

Novi trendi v polprevodniški tehnologiji

Novi materiali

Raziskovalci raziskujejo nove materiale za zamenjavo ali dopolnitev silicija v polprevodniških napravah. Ti vključujejo:

• Dvodimenzionalni materiali: Materiali, kot sta grafen in molibdenov disulfid (MoS2), ponujajo edinstvene elektronske lastnosti in se lahko uporabljajo za ustvarjanje ultra-tankih tranzistorjev in drugih naprav.
• Visoko-k dielektriki: Materiali z višjo dielektrično konstanto kot silicijev dioksid se uporabljajo za zmanjšanje uhajavega toka v MOSFET-ih.
• III-V polprevodniki: Sestavljeni polprevodniki, kot sta GaN in InP, se uporabljajo v visokofrekvenčnih in visokoenergetskih aplikacijah.

3D integracija

3D integracija vključuje zlaganje več plasti polprevodniških naprav eno na drugo, da se poveča gostota in zmogljivost integriranih vezij. Ta tehnologija ponuja več prednosti, vključno s krajšimi dolžinami povezav, manjšo porabo energije in povečano pasovno širino.

Nevromorfno računalništvo

Nevromorfno računalništvo si prizadeva posnemati strukturo in delovanje človeških možganov, da bi ustvarili učinkovitejše in močnejše računalnike. Ta pristop vključuje uporabo novih vrst elektronskih naprav in arhitektur, ki lahko izvajajo vzporedno obdelavo in se učijo iz podatkov.

Kvantno računalništvo

Kvantno računalništvo uporablja kvantno-mehanske pojave, kot sta superpozicija in prepletenost, za izvajanje izračunov, ki so nemogoči za klasične računalnike. Kvantni računalniki imajo potencial, da revolucionirajo področja, kot so odkrivanje zdravil, znanost o materialih in kriptografija.

Globalna polprevodniška industrija

Polprevodniška industrija je globalna industrija, z glavnimi igralci, ki se nahajajo v različnih državah po svetu. Ključne regije vključujejo:

• Združene države: Dom številnih vodilnih svetovnih podjetij za polprevodnike, vključno z Intel, AMD in Qualcomm.
• Tajvan: Glavno središče za proizvodnjo polprevodnikov, s podjetji, kot sta TSMC in UMC, ki prevladujejo na trgu livarn.
• Južna Koreja: Dom Samsunga in SK Hynixa, vodilnih proizvajalcev pomnilniških čipov in drugih polprevodniških naprav.
• Kitajska: Hitro rastoči trg polprevodnikov z vse večjimi naložbami v domače proizvodne zmogljivosti.
• Japonska: Dom podjetij, kot sta Renesas Electronics in Toshiba, ki sta specializirani za avtomobilske polprevodnike in druge elektronske komponente.
• Evropa: S podjetji, kot sta Infineon in NXP, se osredotoča na avtomobilsko, industrijsko in varnostno uporabo.

Globalna polprevodniška industrija je zelo konkurenčna, podjetja pa nenehno uvajajo inovacije za razvoj novih materialov, naprav in proizvodnih postopkov. Vladne politike, trgovinski sporazumi in geopolitični dejavniki prav tako igrajo pomembno vlogo pri oblikovanju industrijske pokrajine.

Prihodnost polprevodniške tehnologije

Polprevodniška tehnologija se nenehno razvija, kar poganja nenehno naraščajoče povpraševanje po hitrejših, manjših in energetsko učinkovitejših elektronskih napravah. Prihodnost polprevodniške tehnologije bo verjetno vključevala:

• Nadaljnje skaliranje: Raziskovalci bodo še naprej premikali meje miniaturizacije in raziskovali nove materiale in tehnike izdelave, da bi ustvarili manjše in močnejše tranzistorje.
• Bolj specializirane naprave: Polprevodniške naprave bodo postale vse bolj specializirane za posebne aplikacije, kot so umetna inteligenca, internet stvari (IoT) in avtomobilska elektronika.
• Večja integracija: 3D integracija in druge napredne tehnologije pakiranja bodo omogočile ustvarjanje bolj kompleksnih in integriranih sistemov.
• Trajnostna proizvodnja: Osredotočanje na zmanjševanje vpliva na okolje in spodbujanje trajnostnih proizvodnih praks.

Z razumevanjem temeljnih načel elektronskih materialov in polprevodniške tehnologije so lahko posamezniki in organizacije bolje pripravljeni na soočanje z izzivi in priložnostmi tega dinamičnega in hitro razvijajočega se področja.

Zaključek

Polprevodniška tehnologija je ključni omogočitelj sodobne družbe, ki podpira nešteto elektronskih naprav in sistemov. Ko se premikamo proti vse bolj digitalnemu svetu, bo pomembnost polprevodnikov le še rasla. Ta vodnik je ponudil obsežen pregled elektronskih materialov s poudarkom na polprevodniški tehnologiji, ključnih materialih, postopkih izdelave in prihodnjih trendih. Z razumevanjem teh temeljnih konceptov lahko bralci pridobijo globlje razumevanje zapletenosti in izzivov polprevodniške industrije in njenega vpliva na globalno gospodarstvo.