Placile de siliciu sunt fabricate dintr-un singur cristal de siliciu foarte pur, de obicei cu mai puțin de o parte per miliard de contaminanți. Procesul Czochralski este cea mai comună metodă de formare a cristalelor mari de această puritate, care implică tragerea unui cristal de sămânță din siliciu topit, cunoscut în mod obișnuit ca topitură. Cristalul de sămânță este apoi format într-un lingot cilindric cunoscut sub numele de boule.
Elemente precum borul și fosforul pot fi adăugate la bule în cantități precise pentru a controla proprietățile electrice ale plachetei, în general în scopul de a face din aceasta un semiconductor de tip n sau de tip p. Buleta este apoi tăiată în felii subțiri cu un ferăstrău de sârmă cunoscut și sub numele de ferăstrău pentru napolitane. Napolitanele tăiate pot fi lustruite în diferite grade.
Pentru ce este folosită o napolitană de siliciu?
O plachetă de siliciu este o felie subțire de siliciu cristalin folosită în mod obișnuit în industria electronică. Siliciul este folosit în acest scop deoarece este un semiconductor, adică nu este nici un conductor puternic, nici un izolator puternic de electricitate. Abundența sa naturală și alte proprietăți fac, în general, ca siliciul să fie preferabil altor semiconductori, cum ar fi germaniul pentru fabricarea napolitanelor.
Dimensiunile cele mai comune ale plachetelor de siliciu depind de aplicarea lor. Napolitanele utilizate în circuitele integrate sunt rotunde, cu diametre de obicei cuprinse între 100 și 300 de milimetri (mm). Grosimea crește în general odată cu diametrul și este de obicei în intervalul de la 525 la 775 microni (μm). Placile din celulele solare sunt de obicei pătrate, cu laturile care măsoară 100 până la 200 mm. Grosimea lor este între 200 și 300 μm, deși se așteaptă ca aceasta să fie standardizată la 160 μm în viitorul apropiat.
Circuite integrate
Un IC, cunoscut și sub numele de microcip sau doar cip, este un set de circuite electronice plasate într-un substrat de material semiconductor. Siliciul monocristalin este în prezent cel mai comun substrat pentru circuitele integrate, deși arseniura de galiu este utilizată în unele aplicații, cum ar fi dispozitivele de comunicație fără fir. Vaferele din aliaje de siliciu-germaniu sunt, de asemenea, din ce în ce mai utilizate, de obicei în aplicații în care viteza mai mare a siliciului-germaniu merită costul mai mare.
Circuitele integrate sunt utilizate în prezent în majoritatea dispozitivelor electronice, având practic înlocuite componente electronice separate. Sunt mai mici, mai rapide și mai ieftine de fabricat decât componentele discrete în ordine de mărime. Adoptarea rapidă a circuitelor integrate în industria electronică se datorează și designului modular al circuitelor integrate, care se pretează cu ușurință la producția de masă.
Aceste straturi sunt dezvoltate într-un mod similar cu fotografiile obișnuite, cu excepția faptului că se folosește mai degrabă lumina ultravioletă decât lumina vizibilă, deoarece lungimile de undă ale luminii vizibile sunt prea mari pentru a crea caracteristici cu precizia necesară. Caracteristicile circuitelor integrate moderne sunt atât de mici încât inginerii de proces trebuie să folosească microscoape electronice pentru a le depana.
Fabricare IC
Echipamentul de testare automatizat (ATE) testează fiecare plachetă înainte de a o utiliza pentru a realiza un IC, un proces, cunoscut în mod obișnuit sub denumirea de testare a plachetelor sau testare a plachetelor. Napolitana este apoi tăiată în bucăți dreptunghiulare cunoscute sub numele de matrițe și apoi conectată la un pachet electronic prin fire conductoare electric, care sunt de obicei realizate din aur sau aluminiu. Aceste fire sunt legate de plăcuțe care sunt de obicei situate în jurul marginii matriței folosind ultrasunete într-un proces numit legare termosonică.
Dispozitivele rezultate sunt supuse fazelor finale de testare, care folosesc de obicei echipamente de scanare ATE și tomografie computerizată (CT). Costul relativ al testării variază foarte mult în funcție de randamentul, dimensiunea și costul dispozitivului. De exemplu, testarea poate reprezenta peste 25% din costurile totale de fabricație pentru dispozitive ieftine, dar poate fi practic neglijabilă pentru dispozitivele mari, scumpe, cu randamente scăzute.
Tehnici
Fabricarea circuitelor integrate este un proces extrem de automatizat care utilizează multe tehnici specifice. Aceste capabilități conduc la costul ridicat al construcției unei unități de fabricație, care poate depăși 8 miliarde de dolari începând cu 2016. Se preconizează că acest cost va crește mult mai rapid decât inflația din cauza nevoii continue de automatizare mai mare.
Tendința către tranzistoare mai mici va continua în viitorul previzibil, 14 nm fiind de ultimă generație în 2016. Producătorii de circuite integrate precum Intel, Samsung, Global Foundries și TSMC sunt de așteptat să înceapă tranziția la tranzistoarele de 10 nm până la sfârșitul anului 2017. .
Napolitanele mari oferă o economie de scară, ceea ce reduce costul total al circuitelor integrate. Cele mai mari napolitane disponibile comercial au un diametru de 300 mm, iar 450 mm se așteaptă să fie următoarea dimensiune maximă. Cu toate acestea, există încă provocări tehnice semnificative pentru fabricarea de napolitane de această dimensiune.
Tehnici suplimentare utilizate în fabricarea circuitelor integrate includ tranzistori tri-gate, pe care Intel i-a fabricat cu o lățime de 22 nm din 2011. IBM utilizează un proces cunoscut sub numele de siliciu tensionat direct pe izolator (SSDOI), care îndepărtează stratul de siliciu-germaniu din o napolitana.
Cuprul înlocuiește interconexiunile de aluminiu în circuitele integrate, în primul rând datorită conductivității sale electrice mai mari. Izolatorii dielectrici low-K și siliciul pe izolatori (SOI) sunt, de asemenea, tehnici avansate de fabricație pentru circuite integrate.
Alte resurse despre semiconductori
Termeni și definiții de bază pentru napolitane
Tăierea napolitanelor în afara axei
Precipitația de oxigen în siliciu
Proprietățile sticlei legate de aplicațiile cu siliciu
Un ghid pentru specificațiile SEMI pentru napolitane Si
Gravarea chimică umedă și curățarea siliciului
Celule solare
O celulă solară folosește efectul fotovoltaic pentru a converti energia luminoasă în energie electrică, ceea ce implică, în general, absorbția luminii de către un material pentru a excita electronii într-o stare de energie mai mare. Este un tip de celulă fotoelectrică, un dispozitiv care își schimbă caracteristicile electrice atunci când este expus la lumină. Celulele solare pot folosi lumina din orice sursă, chiar dacă termenul „solar” implică că au nevoie de lumină solară.
Generarea de energie electrică ca sursă de energie este una dintre cele mai cunoscute aplicații pentru celulele solare. Aceste tipuri de celule solare folosesc o sursă de lumină pentru a încărca o baterie, care poate fi folosită pentru alimentarea unui dispozitiv electric.
Celulele solare sunt adesea integrate în dispozitivul pe care sunt destinate să îl alimenteze. De exemplu, luminile cu energie solară disponibile în mod obișnuit în magazinele de îmbunătățiri pentru locuințe folosesc celule solare pentru a încărca o baterie în timpul zilei. Noaptea, bateria alimentează un senzor de mișcare care aprinde lumina atunci când detectează mișcare.
Celulele solare pot fi clasificate în tipuri de prima, a doua și a treia generație. Celulele de prima generație sunt compuse din siliciu cristalin, inclusiv siliciu monocristalin și polisiliciu. În prezent, ele sunt cel mai comun tip de celule solare. Celulele de a doua generație folosesc peliculă subțire compusă din siliciu amorf și sunt utilizate de obicei în centralele electrice comerciale. Celulele solare din a treia generație folosesc pelicule subțiri dezvoltate cu o varietate de tehnologii emergente și au în prezent aplicații comerciale limitate.
Fabricarea celulelor solare
Marea majoritate a unei celule solare de prima generație este compusă din siliciu cristalin, deși calitatea și puritatea sa structurală sunt cu mult sub cele utilizate în circuitele integrate. Siliciul monocristalin transformă lumina în electricitate mai eficient decât polisiliciul, dar siliciul monocristalin este, de asemenea, mai scump.
Napolitanele sunt tăiate în pătrate pentru a forma celule individuale, iar colțurile lor sunt apoi tăiate pentru a forma octogoane. Această formă conferă panourilor solare aspectul lor distinctiv, asemănător unui diamant. Celulele care alcătuiesc un panou solar trebuie să fie toate orientate de-a lungul aceluiași plan pentru a maximiza eficiența conversiei. Panourile sunt de obicei acoperite cu o foaie de sticlă pe partea care este orientată spre soare pentru a proteja napolitanele.
Celulele solare pot fi conectate în serie sau în paralel, în funcție de cerințele specifice. Conectarea celulelor în serie crește tensiunea lor, în timp ce conectarea lor în paralel crește curentul. Dezavantajul principal al șirurilor paralele este că efectele de umbră pot determina oprirea șirurilor umbrite, ceea ce poate face ca șirurile iluminate să aplice o polarizare inversă șirurilor umbrite. Acest efect poate duce la o pierdere substanțială de putere și chiar la deteriorarea celulelor.
Soluția preferată la această problemă este să conectați șiruri de celule în serie pentru a forma module și să utilizați dispozitive de urmărire a punctului de maximă putere (MPPT) pentru a gestiona cerințele de putere ale șirurilor independent unul de celălalt. Cu toate acestea, modulele pot fi, de asemenea, interconectate pentru a forma o matrice cu curentul de încărcare și tensiunea de vârf dorite. O altă soluție la problemele cauzate de efectele de umbră este utilizarea diodelor shunt pentru a reduce pierderile de putere.
Creștere de dimensiune
Tendința către bile mai mari în industria semiconductoarelor a dus la o creștere a dimensiunii celulelor solare. Panourile solare dezvoltate în anii 1980 sunt realizate din celule cu un diametru între 50 și 100 mm. Panourile realizate în anii 1990 și 2000 au folosit de obicei napolitane cu un diametru de 125 mm, iar panourile fabricate începând cu 2008 au celule de 156 mm.
Utilizarea napolitanelor de siliciu
Placile de siliciu sunt cel mai adesea folosite ca substrat pentru circuitele integrate (CI), deși sunt, de asemenea, o componentă majoră a celulelor fotovoltaice sau solare. Procesul de bază de fabricare a acestor plachete este același pentru ambele aplicații, deși cerințele de calitate sunt mult mai mari pentru napolitanele utilizate în circuite integrate. Aceste napolitane sunt supuse, de asemenea, pași suplimentari, cum ar fi implantarea ionică, gravarea și modelarea fotolitografică, care nu sunt necesare pentru celulele solare.
