Силициевите пластини са направени от единичен кристал от силиций с висока чистота, обикновено с по-малко от една част на милиард замърсители. Процесът на Чохралски е най-често срещаният метод за образуване на големи кристали с такава чистота, който включва изтегляне на зародишен кристал от разтопен силиций, известен като стопилка. След това зародишният кристал се оформя в цилиндричен слитък, известен като буле.
Елементи като бор и фосфор могат да бъдат добавени към булето в точни количества, за да се контролират електрическите свойства на пластината, обикновено с цел превръщането й в n-тип или p-тип полупроводник. След това булето се нарязва на тънки филийки с телеен трион, известен още като трион за вафли. Изрязаните вафли могат да бъдат полирани в различна степен.
За какво се използва силиконова пластина?
Силициевата пластина е тънък резен кристален силиций, който обикновено се използва в електронната индустрия. За тази цел се използва силиций, защото е полупроводник, което означава, че не е нито силен проводник, нито силен изолатор на електричество. Неговото естествено изобилие и други свойства като цяло правят силиция предпочитан пред други полупроводници като германий за направата на пластини.
Най-често срещаните размери на силиконовите пластини зависят от тяхното приложение. Пластините, използвани в интегралните схеми, са кръгли с диаметри, обикновено вариращи от 100 до 300 милиметра (mm). Дебелината обикновено се увеличава с диаметъра и обикновено е в диапазона от 525 до 775 микрона (μm). Пластините в слънчевите клетки обикновено са квадратни със страни с размери от 100 до 200 mm. Тяхната дебелина е между 200 и 300 μm, въпреки че се очаква това да бъде стандартизирано до 160 μm в близко бъдеще.
Интегрални схеми
IC, известен също като микрочип или просто чип, е набор от електронни вериги, поставени в субстрат от полупроводников материал. Монокристалният силиций в момента е най-разпространеният субстрат за интегрални схеми, въпреки че галиевият арсенид се използва в някои приложения, като например устройства за безжична комуникация. Вафлите, направени от силициево-германиеви сплави, също стават все по-широко използвани, обикновено в приложения, където по-голямата скорост на силиций-германий си струва по-високата цена.
Понастоящем интегралните схеми се използват в повечето електронни устройства, като на практика са заменили отделни електронни компоненти. Те са по-малки, по-бързи и по-евтини за производство от дискретни компоненти с порядъци. Бързото приемане на ИС в електронната индустрия се дължи и на модулния дизайн на ИС, който лесно се поддава на масово производство.
Тези слоеве се проявяват по начин, подобен на обикновените снимки, с изключение на това, че се използва ултравиолетова светлина, а не видима светлина, тъй като дължините на вълните на видимата светлина са твърде големи, за да създават елементи с необходимата прецизност. Характеристиките на съвременните интегрални схеми са толкова малки, че инженерите трябва да използват електронни микроскопи, за да ги отстранят.
Изработка на IC
Автоматизираното тестово оборудване (ATE) тества всяка пластина, преди да я използва за направата на IC, процес, известен като изследване на пластини или тестване на пластини. След това пластината се нарязва на правоъгълни парчета, известни като матрици, и след това се свързва към електронен пакет чрез електропроводими проводници, които обикновено са направени от злато или алуминий. Тези проводници са свързани към подложки, които обикновено са разположени около ръба на матрицата с помощта на ултразвук в процес, наречен термозвуково свързване.
Получените устройства преминават финални фази на тестване, които обикновено използват ATE и сканиращо оборудване за индустриална компютърна томография (CT). Относителната цена на тестването варира значително в зависимост от добива, размера и цената на устройството. Например, тестването може да представлява над 25% от общите разходи за производство на евтини устройства, но може да бъде практически незначително за големи, скъпи устройства с ниски добиви.
Техники
Производството на интегрални схеми е силно автоматизиран процес, който използва много специфични техники. Тези възможности водят до високата цена за изграждане на производствено съоръжение, която може да надхвърли 8 милиарда долара към 2016 г. Очаква се тази цена да се увеличи много по-бързо от инфлацията поради продължаващата нужда от по-голяма автоматизация.
Тенденцията към по-малки транзистори ще продължи в обозримо бъдеще, като 14 nm ще бъде най-модерното през 2016 г. Производители на интегрални схеми като Intel, Samsung, Global Foundries и TSMC се очаква да започнат прехода към 10 nm транзистори до края на 2017 г. .
Големите пластини осигуряват икономия от мащаба, което намалява общата цена на интегралните схеми. Най-големите пластини, предлагани в търговската мрежа, са с диаметър 300 mm, като се очаква следващият максимален размер да бъде 450 mm. Все още обаче съществуват значителни технически предизвикателства за производството на вафли с такъв размер.
Допълнителни техники, използвани при производството на интегрални схеми, включват транзистори с три гейта, които Intel произвежда с ширина от 22 nm от 2011 г. насам. IBM използва процес, известен като напрегнат силиций директно върху изолатора (SSDOI), който премахва силициево-германиевия слой от една вафла.
Медта заменя алуминиевите връзки в интегралните схеми, главно поради по-голямата си електрическа проводимост. Диелектричните изолатори с ниско съдържание на К и силициевите изолатори (SOI) също са усъвършенствани производствени техники за интегрални схеми.
Други ресурси за полупроводниците
Основни термини и определения за вафли
Рязане на Si вафли извън ос
Кислородно утаяване в силиций
Свойства на стъклото, свързани с приложения със силиций
Ръководство за SEMI спецификации за Si вафли
Мокро химическо ецване и почистване на силиций
Слънчеви клетки
Слънчевата клетка използва фотоволтаичния ефект, за да преобразува светлинната енергия в електрическа енергия, което обикновено включва абсорбиране на светлина от някакъв материал, за да възбуди електроните в по-високо енергийно състояние. Това е вид фотоелектрическа клетка, устройство, което променя електрическите си характеристики, когато е изложено на светлина. Слънчевите клетки могат да използват светлина от всеки източник, въпреки че терминът "слънчеви" предполага, че те изискват слънчева светлина.
Генерирането на електричество като източник на енергия е едно от най-известните приложения на слънчевите клетки. Тези видове слънчеви клетки използват източник на светлина за зареждане на батерия, която може да се използва за захранване на електрическо устройство.
Слънчевите клетки често са интегрирани в устройството, което са предназначени да захранват. Например захранваните със слънчева енергия лампи, които обикновено се предлагат в магазините за подобряване на дома, използват слънчеви клетки за зареждане на батерията през деня. През нощта батерията захранва сензор за движение, който включва светлината, когато открие движение.
Слънчевите клетки могат да бъдат класифицирани в типове първо, второ и трето поколение. Клетките от първо поколение са съставени от кристален силиций, включително монокристален силиций и полисилиций. В момента те са най-разпространеният тип слънчеви клетки. Клетките от второ поколение използват тънък филм, съставен от аморфен силиций и обикновено се използват в търговски електроцентрали. Слънчевите клетки от трето поколение използват тънък филм, разработен с различни нововъзникващи технологии и в момента имат ограничени търговски приложения.
Производство на слънчеви клетки
По-голямата част от слънчевите клетки от първо поколение са съставени от кристален силиций, въпреки че неговото структурно качество и чистота са далеч под тези, използвани в интегралните схеми. Монокристалният силиций преобразува светлината в електричество по-ефективно от полисилиция, но монокристалният силиций също е по-скъп.
Вафлите се нарязват на квадрати, за да се образуват отделни клетки, а ъглите им след това се подрязват, за да се образуват осмоъгълници. Тази форма придава на слънчевите панели техния отличителен външен вид, подобен на диамант. Всички клетки, които изграждат слънчевия панел, трябва да бъдат ориентирани по протежение на една и съща равнина, за да се постигне максимална ефективност на преобразуване. Панелите обикновено са покрити със стъклен лист от страната, която е обърната към слънцето, за да предпази вафлите.
Слънчевите клетки могат да бъдат свързани последователно или паралелно, в зависимост от специфичните изисквания. Свързването на клетките в серия увеличава напрежението им, докато свързването им паралелно увеличава тока. Основният недостатък на паралелните струни е, че ефектите на сенките могат да доведат до изключване на сенчестите струни, което може да накара осветените струни да приложат обратно отклонение към засенчените струни. Този ефект може да доведе до значителна загуба на енергия и дори увреждане на клетките.
Предпочитаното решение на този проблем е да се свържат низове от клетки последователно, за да се образуват модули и да се използват тракери за максимална мощност (MPPT), за да се справят с изискванията за мощност на низовете независимо един от друг. Въпреки това, модулите могат също да бъдат свързани помежду си, за да образуват масив с желания ток на натоварване и пиково напрежение. Друго решение на проблемите, причинени от сенчестите ефекти, е използването на шунтови диоди за намаляване на загубата на мощност.
Увеличаване на размера
Тенденцията към по-големи бутилки в полупроводниковата индустрия доведе до увеличаване на размера на слънчевите клетки. Слънчевите панели, разработени през 80-те години на миналия век, са направени от клетки с диаметър между 50 и 100 mm. Панелите, произведени през 90-те и 2000-те години, обикновено използват пластини с диаметър 125 mm, а панелите, произведени от 2008 г. насам, имат 156 mm клетки.
Използването на силициеви пластини
Силиконовите пластини най-често се използват като субстрат за интегрални схеми (ICs), въпреки че те също са основен компонент във фотоволтаични или слънчеви клетки. Основният процес на производство на тези пластини е един и същ и за двете приложения, въпреки че изискванията за качество са много по-високи за пластините, използвани в интегралните схеми. Тези пластини също преминават през допълнителни стъпки като имплантиране на йони, ецване и фотолитографско моделиране, които не са необходими за слънчевите клетки.
