Kam tiek izmantota silīcija vafele?

Silīcija vafeles ir izgatavotas no viena ļoti tīra silīcija kristāla, parasti ar mazāk nekā vienu miljardu piesārņotāju. Czochralski process ir visizplatītākā metode lielu šādas tīrības kristālu veidošanai, kas ietver sēklu kristāla izvilkšanu no izkausēta silīcija, ko parasti sauc par kausējumu. Pēc tam sēklu kristāls tiek veidots cilindriskā lietņā, kas pazīstams kā buljons.

Tādus elementus kā bors un fosfors var pievienot buljonam precīzos daudzumos, lai kontrolētu vafeles elektriskās īpašības, parasti ar mērķi padarīt to par n-tipa vai p-tipa pusvadītāju. Pēc tam ar stiepļu zāģi, kas pazīstams arī kā vafeļu zāģis, sagriež plānās šķēlēs. Izgrieztās vafeles var būt dažādās pakāpēs pulētas.

Kam tiek izmantota silīcija vafele?

Silīcija vafele ir plāna kristāliskā silīcija šķēle, ko parasti izmanto elektronikas rūpniecībā. Šim nolūkam tiek izmantots silīcijs, jo tas ir pusvadītājs, kas nozīmē, ka tas nav ne spēcīgs elektrības vadītājs, ne spēcīgs izolators. Tā dabiskā pārpilnība un citas īpašības parasti padara silīciju labāku par citiem pusvadītājiem, piemēram, germāniju vafeļu izgatavošanai.

Visizplatītākie silīcija vafeļu izmēri ir atkarīgi no to pielietojuma. IC izmantotās vafeles ir apaļas, un to diametrs parasti ir no 100 līdz 300 milimetriem (mm). Biezums parasti palielinās līdz ar diametru un parasti ir diapazonā no 525 līdz 775 mikroniem (μm). Saules bateriju plāksnītes parasti ir kvadrātveida ar malām 100 līdz 200 mm. To biezums ir no 200 līdz 300 μm, lai gan ir paredzams, ka tuvākajā nākotnē tas tiks standartizēts līdz 160 μm.

Integrētās shēmas

IC, kas pazīstams arī kā mikroshēma vai vienkārši mikroshēma, ir elektronisko shēmu kopums, kas ievietots pusvadītāja materiāla substrātā. Monokristāliskais silīcijs pašlaik ir visizplatītākais IC substrāts, lai gan gallija arsenīds tiek izmantots dažās lietojumprogrammās, piemēram, bezvadu sakaru ierīcēs. No silīcija-germānija sakausējumiem izgatavotās vafeles arī kļūst arvien plašāk izmantotas, parasti lietojumos, kur lielāks silīcija-germānija ātrums ir augstāku izmaksu vērts.

IC pašlaik izmanto lielākajā daļā elektronisko ierīču, praktiski aizstājot atsevišķus elektroniskos komponentus. Tie ir mazāki, ātrāk un lētāk ražoti nekā diskrēti komponenti pēc lieluma kārtām. Ātrā IC ieviešana elektronikas nozarē ir saistīta arī ar IC modulāro konstrukciju, kas ir viegli piemērota masveida ražošanai.

Šie slāņi ir izstrādāti līdzīgi kā parastajām fotogrāfijām, izņemot to, ka tiek izmantota ultravioletā gaisma, nevis redzamā gaisma, jo redzamās gaismas viļņu garumi ir pārāk lieli, lai izveidotu elementus ar nepieciešamo precizitāti. Mūsdienu IC funkcijas ir tik mazas, ka procesu inženieriem to atkļūdošanai jāizmanto elektronu mikroskopi.

IC izgatavošana

Automatizētā testa iekārta (ATE) pārbauda katru plāksni pirms tās izmantošanas, lai izveidotu IC — procesu, ko parasti sauc par vafeļu zondēšanu vai vafeļu testēšanu. Pēc tam vafele tiek sagriezta taisnstūrveida gabalos, kas pazīstami kā presformas, un pēc tam savienoti ar elektronisko iepakojumu, izmantojot elektriski vadošus vadus, kas parasti ir izgatavoti no zelta vai alumīnija. Šie vadi ir savienoti ar spilventiņiem, kas parasti atrodas ap formas malu, izmantojot ultraskaņu procesā, ko sauc par termoskaņas savienošanu.

Iegūtās ierīces tiek pakļautas pēdējās testēšanas fāzēm, kurās parasti izmanto ATE un rūpnieciskās datortomogrāfijas (CT) skenēšanas iekārtas. Testēšanas relatīvās izmaksas ievērojami atšķiras atkarībā no ierīces ražības, izmēra un izmaksām. Piemēram, testēšana var radīt vairāk nekā 25% no kopējām lētu ierīču ražošanas izmaksām, taču tā var būt praktiski nenozīmīga lielām, dārgām ierīcēm ar zemu ražīgumu.

Paņēmieni

IC izgatavošana ir ļoti automatizēts process, kurā tiek izmantotas daudzas specifiskas metodes. Šīs iespējas nosaka augstās ražošanas iekārtas būvniecības izmaksas, kas 2016. gadā var pārsniegt 8 miljardus ASV dolāru. Paredzams, ka šīs izmaksas palielināsies daudz ātrāk nekā inflācija, jo turpinās nepieciešamība pēc lielākas automatizācijas.

Pārskatāmā nākotnē turpināsies tendence uz mazākiem tranzistoriem, 2016. gadā 14 nm būs vismodernākais līmenis. Paredzams, ka tādi IC ražotāji kā Intel, Samsung, Global Foundries un TSMC sāks pāreju uz 10 nm tranzistoriem līdz 2017. gada beigām. .

Lielas vafeles nodrošina apjomradītus ietaupījumus, kas samazina IC kopējās izmaksas. Lielākās tirdzniecībā pieejamās vafeles ir 300 mm diametrā, un paredzams, ka nākamais maksimālais izmērs būs 450 mm. Tomēr šāda izmēra vafeļu izgatavošanai joprojām pastāv ievērojamas tehniskas problēmas.

Papildu paņēmieni, ko izmanto IC ražošanā, ietver trīsvārtu tranzistorus, kurus Intel ražo kopš 2011. gada ar platumu 22 nm. IBM izmanto procesu, kas pazīstams kā sasprindzināts silīcijs tieši uz izolatora (SSDOI), kas noņem silīcija-germānija slāni no vafele.

Vara aizstāj alumīnija starpsavienojumus IC, galvenokārt tā lielākas elektriskās vadītspējas dēļ. Zema K dielektriskie izolatori un Silicon on Insulators (SOI) arī ir uzlabotas IC ražošanas metodes.

Citi resursi par pusvadītājiem

Pamata vafeļu termini un definīcijas
Si vafeļu griešana ārpus ass
Skābekļa nokrišņi silīcijā
Stikla īpašības saistībā ar lietojumiem ar silīciju
Si vafeļu SEMI specifikāciju ceļvedis
Silīcija mitrā ķīmiskā kodināšana un tīrīšana

Saules šūnas

Saules baterija izmanto fotoelektrisko efektu, lai pārveidotu gaismas enerģiju elektroenerģijā, kas parasti ietver gaismas absorbciju ar kādu materiālu, lai ierosinātu elektronus augstākās enerģijas stāvoklī. Tas ir fotoelementu veids, ierīce, kas maina elektriskos raksturlielumus, pakļaujoties gaismai. Saules baterijas var izmantot gaismu no jebkura avota, lai gan termins "saules baterija" nozīmē, ka tām ir nepieciešama saules gaisma.

Elektroenerģijas kā enerģijas avota ražošana ir viens no vispazīstamākajiem saules elementu lietojumiem. Šāda veida saules baterijas izmanto gaismas avotu, lai uzlādētu akumulatoru, ko var izmantot elektriskās ierīces darbināšanai.

Saules baterijas bieži ir integrētas ierīcē, kuras darbināšanai tās ir paredzētas. Piemēram, ar saules enerģiju darbināmās gaismas, kas parasti ir pieejamas labiekārtošanas veikalos, izmanto saules baterijas, lai dienas laikā uzlādētu akumulatoru. Naktīs akumulators darbina kustības sensoru, kas ieslēdz gaismu, kad konstatē kustību.

Saules baterijas var iedalīt pirmās, otrās un trešās paaudzes tipos. Pirmās paaudzes šūnas sastāv no kristāliskā silīcija, tostarp monokristāliskā silīcija un polisilīcija. Pašlaik tie ir visizplatītākais saules bateriju veids. Otrās paaudzes elementi izmanto plānu plēvi, kas sastāv no amorfā silīcija, un tos parasti izmanto komerciālās spēkstacijās. Trešās paaudzes saules baterijas izmanto plānu plēvi, kas izstrādāta ar dažādām jaunām tehnoloģijām, un pašlaik to komerciālais pielietojums ir ierobežots.

Saules elementu izgatavošana

Lielākā daļa pirmās paaudzes saules bateriju sastāv no kristāliskā silīcija, lai gan tā strukturālā kvalitāte un tīrība ir daudz zemāka par IC izmantoto. Monokristāliskais silīcijs pārvērš gaismu elektrībā efektīvāk nekā polisilīcijs, taču monokristāliskais silīcijs ir arī dārgāks.

Vafeles sagriež kvadrātos, veidojot atsevišķas šūnas, un pēc tam to stūrus sagriež, veidojot astoņstūrus. Šī forma piešķir saules paneļiem to raksturīgo dimanta izskatu. Visas šūnas, kas veido saules paneli, ir jāorientē vienā plaknē, lai palielinātu konversijas efektivitāti. Paneļi parasti ir pārklāti ar stikla loksni pusē, kas ir vērsta pret sauli, lai aizsargātu vafeles.

Saules baterijas var savienot virknē vai paralēli atkarībā no īpašām prasībām. Šūnu savienošana virknē palielina to spriegumu, savukārt paralēli savienojot, palielinās strāva. Paralēlo virkņu galvenais trūkums ir tāds, ka ēnu efekti var izraisīt ēnoto virkņu izslēgšanu, kā rezultātā apgaismotās virknes var piemērot apgriezto novirzi ēnotajām virknēm. Šis efekts var izraisīt ievērojamu jaudas zudumu un pat šūnu bojājumus.

Vēlamais šīs problēmas risinājums ir savienot šūnu virknes virknē, lai veidotu moduļus, un izmantot maksimālās jaudas punktu izsekotājus (MPPT), lai apstrādātu virkņu jaudas prasības neatkarīgi viena no otras. Tomēr moduļus var arī savstarpēji savienot, lai izveidotu masīvu ar vēlamo slodzes strāvu un maksimālo spriegumu. Vēl viens ēnu efektu radīto problēmu risinājums ir šunta diožu izmantošana, lai samazinātu jaudas zudumus.

Izmēra palielināšana

Pusvadītāju rūpniecībā tendence uz lielākiem buljoniem ir izraisījusi saules bateriju izmēra palielināšanos. 80. gados izstrādātie saules paneļi ir izgatavoti no elementiem, kuru diametrs ir no 50 līdz 100 mm. 90. un 2000. gados ražotajos paneļos parasti tika izmantotas vafeles ar diametru 125 mm, un paneļiem, kas ražoti kopš 2008. gada, ir 156 mm šūnas.

Silīcija vafeļu izmantošana

Silīcija vafeles visbiežāk izmanto kā substrātu integrālajām shēmām (IC), lai gan tās ir arī galvenā sastāvdaļa fotoelektriskajās vai saules baterijās. Šo vafeļu izgatavošanas pamatprocess ir vienāds abām šīm lietojumprogrammām, lai gan kvalitātes prasības ir daudz augstākas IC izmantotajām plāksnēm. Šīm plāksnēm tiek veiktas arī papildu darbības, piemēram, jonu implantācija, kodināšana un fotolitogrāfiskā rakstīšana, kas nav nepieciešamas saules baterijām.