Silicijumske pločice su napravljene od jednog kristala visoko čistog silicijuma, obično sa manje od jednog dela na milijardu kontaminanata. Czochralski proces je najčešća metoda formiranja velikih kristala ove čistoće, koja uključuje izvlačenje kristala sjemena iz rastopljenog silicija, poznatog kao talina. Sjemenski kristal se zatim formira u cilindrični ingot poznat kao boule.
Elementi kao što su bor i fosfor mogu se dodati u boule u preciznim količinama kako bi se kontrolisala električna svojstva pločice, općenito u svrhu da se od nje napravi poluvodič n-tipa ili p-tipa. Kruh se zatim reže na tanke kriške žičanom testerom poznatom i kao testera za vafle. Izrezane pločice mogu biti polirane u različitom stepenu.
Za šta se koristi silikonska pločica?
Silicijumska pločica je tanka kriška kristalnog silicijuma koji se obično koristi u elektronskoj industriji. Silicijum se koristi u tu svrhu jer je poluprovodnik, što znači da nije ni jak provodnik ni jak izolator struje. Njegovo prirodno izobilje i druga svojstva općenito čine silicij poželjnijim u odnosu na druge poluvodiče kao što je germanij za izradu pločica.
Najčešće dimenzije silikonskih pločica ovise o njihovoj primjeni. Oblatne koje se koriste u IC-ima su okrugle s prečnikom koji se obično kreće od 100 do 300 milimetara (mm). Debljina se općenito povećava s promjerom i obično je u rasponu od 525 do 775 mikrona (μm). Oblasti u solarnim ćelijama su obično kvadratne sa stranicama od 100 do 200 mm. Njihova debljina je između 200 i 300 μm, iako se očekuje da će se u bliskoj budućnosti standardizirati na 160 μm.
Integrated Circuits
IC, također poznat kao mikročip ili samo čip, je skup elektronskih kola postavljenih u podlogu od poluvodičkog materijala. Monokristalni silicijum je trenutno najčešći supstrat za IC, iako se galijum arsenid koristi u nekim aplikacijama kao što su bežični komunikacioni uređaji. Oblatne napravljene od silicijum-germanijumskih legura takođe postaju sve više u upotrebi, obično u aplikacijama gde je veća brzina silicijum-germanijuma vredna veće cene.
IC-ovi se trenutno koriste u većini elektronskih uređaja, jer su praktično zamijenili zasebne elektronske komponente. Manji su, brži i jeftiniji za proizvodnju od diskretnih komponenti po redovima veličine. Brzo usvajanje IC-a u elektronskoj industriji je takođe posledica modularnog dizajna IC-a, koji se lako podesi za masovnu proizvodnju.
Ovi slojevi se razvijaju na sličan način kao i kod običnih fotografija, osim što se koristi ultraljubičasto svjetlo, a ne vidljivo svjetlo, jer su valne dužine vidljive svjetlosti prevelike da bi se stvorile karakteristike s potrebnom preciznošću. Karakteristike modernih IC-a su toliko male da procesni inženjeri moraju koristiti elektronske mikroskope da bi ih otklonili.
IC Fabrication
Automatizirana oprema za testiranje (ATE) testira svaku pločicu prije nego što je koristi za izradu IC-a, proces koji je uobičajeno poznat kao sondiranje pločice ili testiranje pločice. Oblatna se zatim reže na pravougaone komade poznate kao matrice, a zatim se povezuje sa elektronskim paketom preko električno provodljivih žica, koje su obično napravljene od zlata ili aluminijuma. Ove žice se spajaju na jastučiće koji se obično nalaze oko ruba matrice pomoću ultrazvuka u procesu koji se naziva termozvučno spajanje.
Rezultirajući uređaji prolaze kroz završne faze testiranja, koje obično koriste opremu za skeniranje ATE i industrijsku kompjuterizovanu tomografiju (CT). Relativni trošak testiranja uvelike varira ovisno o prinosu, veličini i cijeni uređaja. Na primjer, testiranje može činiti preko 25% ukupnih troškova proizvodnje jeftinih uređaja, ali može biti gotovo zanemarivo za velike, skupe uređaje sa niskim prinosima.
Tehnike
Proizvodnja IC-a je visoko automatiziran proces koji koristi mnoge specifične tehnike. Ove mogućnosti pokreću visoke troškove izgradnje fabričkog postrojenja, koje mogu premašiti 8 milijardi dolara od 2016. Očekuje se da će se ovaj trošak povećati mnogo brže od inflacije zbog stalne potrebe za većom automatizacijom.
Trend ka manjim tranzistorima nastavit će se u doglednoj budućnosti, a 14 nm će biti najmoderniji u 2016. Očekuje se da će proizvođači IC-a kao što su Intel, Samsung, Global Foundries i TSMC započeti prelazak na 10 nm tranzistore do kraja 2017. .
Velike pločice osiguravaju ekonomiju obima, što smanjuje ukupne troškove IC-a. Najveće komercijalno dostupne pločice su prečnika 300 mm, a očekuje se da će 450 mm biti sljedeća maksimalna veličina. Međutim, još uvijek postoje značajni tehnički izazovi za izradu napolitanki ove veličine.
Dodatne tehnike koje se koriste u proizvodnji IC uključuju tranzistore s tri kapije, koje je Intel proizvodio sa širinom od 22 nm od 2011. IBM koristi proces poznat kao napregnuti silicijum direktno na izolatoru (SSDOI), koji uklanja sloj silicijum-germanijum sa a wafer.
Bakar zamjenjuje aluminijske interkonekcije u IC-ima, prvenstveno zbog svoje veće električne provodljivosti. Nisko-K dielektrični izolatori i silicijum na izolatorima (SOI) su takođe napredne proizvodne tehnike za IC.
Ostali resursi o poluprovodnicima
Osnovni termini i definicije vafla
Rezanje Si vafla van osi
Precipitacija kiseonika u silicijumu
Svojstva stakla u vezi sa primenom sa silicijumom
Vodič za SEMI specifikacije za Si Wafers
Mokro-hemijsko jetkanje i čišćenje silicijuma
Solarne ćelije
Solarna ćelija koristi fotonaponski efekat za pretvaranje svjetlosne energije u električnu energiju, što općenito uključuje apsorpciju svjetlosti od strane nekog materijala da pobuđuje elektrone u stanje više energije. To je vrsta fotoelektrične ćelije, uređaja koji mijenja svoje električne karakteristike kada je izložen svjetlu. Solarne ćelije mogu koristiti svjetlost iz bilo kojeg izvora, iako izraz "solarne" implicira da im je potrebna sunčeva svjetlost.
Proizvodnja električne energije kao izvora energije jedna je od najpoznatijih primjena solarnih ćelija. Ove vrste solarnih ćelija koriste izvor svjetlosti za punjenje baterije, koja se može koristiti za napajanje električnog uređaja.
Solarne ćelije su često integrirane u uređaj za koji su namijenjene za napajanje. Na primjer, svjetla na solarni pogon obično dostupna u trgovinama za poboljšanje doma koriste solarne ćelije za punjenje baterije tokom dana. Noću, baterija napaja senzor pokreta koji uključuje svjetlo kada detektuje pokret.
Solarne ćelije se mogu podijeliti na tipove prve, druge i treće generacije. Ćelije prve generacije se sastoje od kristalnog silicija, uključujući monokristalni silicijum i polisilicij. Oni su trenutno najčešći tip solarnih ćelija. Ćelije druge generacije koriste tanki film sastavljen od amorfnog silicija i obično se koriste u komercijalnim elektranama. Solarne ćelije treće generacije koriste tanki film razvijen uz pomoć različitih tehnologija u nastajanju i trenutno imaju ograničenu komercijalnu primjenu.
Izrada solarnih ćelija
Velika većina solarnih ćelija prve generacije sastoji se od kristalnog silicijuma, iako su njegov strukturni kvalitet i čistoća daleko ispod onih koji se koriste u IC-ima. Monokristalni silicijum efikasnije pretvara svetlost u električnu energiju od polisilicijuma, ali je i monokristalni silicijum skuplji.
Oblatne se izrezuju na kvadrate kako bi se formirale pojedinačne ćelije, a njihovi uglovi se zatim podrezuju da formiraju osmougaonike. Ovaj oblik daje solarnim panelima njihov prepoznatljiv izgled poput dijamanta. Sve ćelije koje čine solarni panel moraju biti orijentisane duž iste ravni kako bi se maksimizirala efikasnost konverzije. Paneli su obično prekriveni staklenom pločom na strani koja je okrenuta suncu kako bi se zaštitile oblatne.
Solarne ćelije mogu biti povezane serijski ili paralelno, ovisno o specifičnim zahtjevima. Povezivanje ćelija u nizu povećava njihov napon, dok paralelno povezivanje povećava struju. Primarni nedostatak paralelnih žica je taj što efekti sjene mogu uzrokovati gašenje zasjenjenih žica, što može uzrokovati da osvijetljene žice primjenjuju obrnutu pristranost na zasjenjene žice. Ovaj efekat može dovesti do značajnog gubitka snage, pa čak i do oštećenja ćelija.
Preferirano rješenje za ovaj problem je povezivanje nizova ćelija u seriju kako bi se formirali moduli i korištenje uređaja za praćenje maksimalne snage (MPPT) za rješavanje zahtjeva za snagom nizova nezavisno jedan od drugog. Međutim, moduli se također mogu međusobno povezati kako bi formirali niz sa željenom strujom opterećenja i vršnim naponom. Drugo rješenje problema uzrokovanih efektima sjene je korištenje šant dioda za smanjenje gubitka energije.
Povećanje veličine
Trend ka većim kuglama u industriji poluvodiča rezultirao je povećanjem veličine solarnih ćelija. Solarni paneli razvijeni 1980-ih napravljeni su od ćelija prečnika između 50 i 100 mm. Paneli napravljeni tokom 1990-ih i 2000-ih obično su koristili oblatne prečnika 125 mm, a paneli napravljeni od 2008. godine imaju ćelije od 156 mm.
Upotreba silicijumskih pločica
Silicijumske pločice se najčešće koriste kao supstrat za integrisana kola (IC), iako su takođe glavna komponenta u fotonaponskim ili solarnim ćelijama. Osnovni proces proizvodnje ovih pločica je isti za obje ove primjene, iako su zahtjevi za kvalitetom mnogo veći za pločice koje se koriste u IC-ima. Ove pločice također prolaze kroz dodatne korake kao što su ionska implantacija, jetkanje i fotolitografsko oblikovanje, koji nisu potrebni za solarne ćelije.
