Silicio plokštelės yra pagamintos iš vieno labai gryno silicio kristalo, kuriame paprastai yra mažiau nei viena milijardo teršalų dalis. Czochralski procesas yra labiausiai paplitęs būdas formuoti didelius tokio grynumo kristalus, kai iš išlydyto silicio, paprastai žinomo kaip lydalas, ištraukiamas sėklinis kristalas. Tada iš sėklų kristalo susidaro cilindrinis luitas, žinomas kaip rutuliukas.
Elementai, tokie kaip boras ir fosforas, gali būti dedami į gabalėlį tiksliais kiekiais, kad būtų galima valdyti plokštelės elektrines savybes, paprastai tam, kad ji būtų n tipo arba p tipo puslaidininkis. Tada rutulys supjaustomas plonais griežinėliais vieliniu pjūklu, dar vadinamu vafliniu pjūklu. Iškirpti vafliai gali būti įvairiu laipsniu poliruoti.
Kam naudojama silicio plokštelė?
Silicio plokštelė yra plonas kristalinio silicio gabalas, dažniausiai naudojamas elektronikos pramonėje. Šiam tikslui naudojamas silicis, nes jis yra puslaidininkis, tai reiškia, kad jis nėra nei stiprus elektros laidininkas, nei stiprus izoliatorius. Dėl natūralaus gausumo ir kitų savybių silicis paprastai yra geresnis už kitus puslaidininkius, tokius kaip germanis, skirtas plokštelėms gaminti.
Dažniausiai pasitaikantys silicio plokštelių matmenys priklauso nuo jų panaudojimo. IC naudojamos plokštelės yra apvalios, jų skersmuo paprastai svyruoja nuo 100 iki 300 milimetrų (mm). Storis paprastai didėja didėjant skersmeniui ir paprastai yra nuo 525 iki 775 mikronų (μm). Saulės elementų plokštelės paprastai yra kvadratinės, kurių kraštinės yra 100–200 mm. Jų storis yra nuo 200 iki 300 μm, nors tikimasi, kad artimiausiu metu tai bus standartizuota iki 160 μm.
Integriniai grandynai
IC, taip pat žinomas kaip mikroschema arba tiesiog lustas, yra elektroninių grandinių rinkinys, įdėtas į puslaidininkinės medžiagos substratą. Monokristalinis silicis šiuo metu yra labiausiai paplitęs IC substratas, nors galio arsenidas naudojamas kai kuriose srityse, pavyzdžiui, belaidžio ryšio įrenginiuose. Plokštės, pagamintos iš silicio-germanio lydinių, taip pat vis plačiau naudojamos, paprastai tais atvejais, kai didesnis silicio-germanio greitis yra vertas didesnių sąnaudų.
IC šiuo metu naudojami daugumoje elektroninių įrenginių, iš esmės pakeitę atskirus elektroninius komponentus. Pagal dydį jie yra mažesni, greitesni ir pigesni nei atskiri komponentai. Spartų IC pritaikymą elektronikos pramonėje taip pat lemia modulinė IC konstrukcija, kuri lengvai tinka masinei gamybai.
Šie sluoksniai yra sukurti panašiai kaip įprastos nuotraukos, išskyrus tai, kad naudojama ultravioletinė šviesa, o ne matoma šviesa, nes matomos šviesos bangos ilgiai yra per dideli, kad būtų galima sukurti reikiamo tikslumo savybes. Šiuolaikinių IC savybės yra tokios mažos, kad procesų inžinieriai turi naudoti elektroninius mikroskopus, kad juos derintų.
IC gamyba
Automatizuota bandymo įranga (ATE) išbando kiekvieną plokštelę prieš naudojant ją IC gamybai, procesas, paprastai žinomas kaip plokštelių zondavimas arba plokštelių testavimas. Tada plokštelė supjaustoma į stačiakampius gabalus, vadinamus štampais, ir prijungiama prie elektroninės pakuotės elektrai laidžiais laidais, kurie paprastai yra pagaminti iš aukso arba aliuminio. Šie laidai yra sujungti su trinkelėmis, kurios paprastai yra aplink štampo kraštą, naudojant ultragarsą, vadinamą termogarsiniu sujungimu.
Gauti prietaisai atlieka paskutinius testavimo etapus, kuriuose paprastai naudojama ATE ir pramoninė kompiuterinės tomografijos (KT) skenavimo įranga. Santykinė bandymo kaina labai skiriasi, atsižvelgiant į įrenginio išeigą, dydį ir kainą. Pavyzdžiui, bandymai gali sudaryti daugiau nei 25 % visų nebrangių prietaisų gamybos sąnaudų, tačiau tai gali būti beveik nereikšminga dideliems, brangiems prietaisams, kurių našumas yra mažas.
Technikai
IC gamyba yra labai automatizuotas procesas, kuriame naudojama daug specifinių metodų. Dėl šių galimybių kyla didelės gamybos įrenginio statybos sąnaudos, kurios nuo 2016 m. gali viršyti 8 mlrd. USD. Tikimasi, kad šios išlaidos padidės daug greičiau nei infliacija dėl nuolatinio didesnio automatizavimo poreikio.
Mažesnių tranzistorių tendencija išliks ir artimiausioje ateityje, o 2016 m. 14 nm bus moderniausias. Tikimasi, kad IC gamintojai, tokie kaip „Intel“, „Samsung“, „Global Foundries“ ir TSMC, pradės perėjimą prie 10 nm tranzistorių iki 2017 m. pabaigos. .
Didelės plokštelės suteikia masto ekonomiją, o tai sumažina bendrą IC kainą. Didžiausios parduodamos plokštelės yra 300 mm skersmens, o 450 mm turėtų būti kitas didžiausias dydis. Tačiau gaminant tokio dydžio plokšteles vis dar yra didelių techninių iššūkių.
Papildomos technologijos, naudojamos gaminant IC, apima trijų vartų tranzistorius, kuriuos „Intel“ gamina 22 nm pločio nuo 2011 m. IBM naudoja procesą, žinomą kaip įtemptas silicis tiesiogiai ant izoliatoriaus (SSDOI), kuris pašalina silicio ir germanio sluoksnį nuo vaflį.
Varis pakeičia aliuminio jungtis IC, visų pirma dėl didesnio elektros laidumo. Mažos K vertės dielektriniai izoliatoriai ir silicio izoliatoriai (SOI) taip pat yra pažangūs IC gamybos būdai.
Kiti ištekliai apie puslaidininkius
Pagrindinės vaflių sąlygos ir apibrėžimai
Si plokštelių pjovimas ne ašimi
Deguonies nusodinimas silicyje
Stiklo savybės, susijusios su naudojimu su siliciu
Si plokštelių SEMI specifikacijų vadovas
Drėgnas cheminis ėsdinimas ir silicio valymas
Saulės elementai
Saulės elementas naudoja fotovoltinį efektą, kad šviesos energiją paverstų elektros energija, o tai paprastai apima šviesos sugertį tam tikroje medžiagoje, kad sužadintų elektronus į aukštesnės energijos būseną. Tai fotoelemento tipas – prietaisas, kuris keičia savo elektrines charakteristikas, kai jį veikia šviesa. Saulės elementai gali naudoti šviesą iš bet kokio šaltinio, nors terminas „saulė“ reiškia, kad jiems reikia saulės šviesos.
Elektros, kaip energijos šaltinio, gamyba yra vienas iš labiausiai žinomų saulės elementų pritaikymo būdų. Šio tipo saulės baterijos naudoja šviesos šaltinį akumuliatoriui įkrauti, kuris gali būti naudojamas elektros prietaisui maitinti.
Saulės elementai dažnai yra integruoti į įrenginį, kuriam jie skirti maitinti. Pavyzdžiui, saulės energija varomose šviestuvuose, kuriuos paprastai galima įsigyti namų tobulinimo parduotuvėse, baterijai įkrauti dienos metu naudojami saulės elementai. Naktį baterija maitina judesio jutiklį, kuris aptikęs judesį įjungia šviesą.
Saulės elementus galima suskirstyti į pirmosios, antrosios ir trečiosios kartos tipus. Pirmosios kartos ląstelės yra sudarytos iš kristalinio silicio, įskaitant monokristalinį silicį ir polisilicį. Šiuo metu jie yra labiausiai paplitęs saulės elementų tipas. Antrosios kartos elementai naudoja ploną plėvelę, sudarytą iš amorfinio silicio, ir paprastai naudojamos komercinėse elektrinėse. Trečiosios kartos saulės baterijos naudoja ploną plėvelę, sukurtą naudojant įvairias naujas technologijas, ir šiuo metu jų komercinis pritaikymas yra ribotas.
Saulės elementų gamyba
Didžioji pirmosios kartos saulės elementų dalis yra sudaryta iš kristalinio silicio, nors jo struktūrinė kokybė ir grynumas yra daug žemesni nei naudojami IC. Monokristalinis silicis šviesą paverčia elektra efektyviau nei polisilicis, tačiau monokristalinis silicis yra ir brangesnis.
Plokštelės supjaustomos į kvadratus, kad būtų suformuotos atskiros ląstelės, o jų kampai nukerpami, kad būtų suformuoti aštuonkampiai. Ši forma suteikia saulės kolektoriams išskirtinę deimantų išvaizdą. Visi elementai, sudarantys saulės kolektorių, turi būti nukreipti išilgai tos pačios plokštumos, kad būtų padidintas konversijos efektyvumas. Plokštės paprastai yra padengtos stiklo lakštu toje pusėje, kuri yra nukreipta į saulę, kad apsaugotų plokšteles.
Saulės elementai gali būti jungiami nuosekliai arba lygiagrečiai, atsižvelgiant į konkrečius reikalavimus. Sujungus elementus nuosekliai, padidėja jų įtampa, o jungiant lygiagrečiai padidėja srovė. Pagrindinis lygiagrečių stygų trūkumas yra tas, kad šešėlių efektai gali sukelti šešėlinių stygų išjungimą, todėl apšviestos stygos gali taikyti atvirkštinį poslinkį šešėlinėms eilutėms. Dėl šio poveikio gali smarkiai sumažėti galia ir net pažeistos ląstelės.
Pageidautinas šios problemos sprendimas yra nuosekliai sujungti elementų eilutes, kad būtų sudaryti moduliai, ir naudoti didžiausios galios taškų sekimo priemones (MPPT), kad būtų galima tvarkyti eilučių galios poreikius nepriklausomai viena nuo kitos. Tačiau modulius taip pat galima sujungti, kad susidarytų masyvas su norima apkrovos srove ir didžiausia įtampa. Kitas šešėlių efektų sukeliamų problemų sprendimas yra šunto diodų naudojimas, siekiant sumažinti galios praradimą.
Dydžio padidėjimas
Dėl tendencijos, kad puslaidininkių pramonėje atsiranda didesnių rutuliukų, padidėjo saulės elementų dydis. Devintajame dešimtmetyje sukurtos saulės baterijos yra pagamintos iš 50–100 mm skersmens elementų. 1990-aisiais ir 2000-aisiais pagamintose plokštėse paprastai buvo naudojamos 125 mm skersmens plokštelės, o nuo 2008 m.
Silicio plokštelių naudojimas
Silicio plokštelės dažniausiai naudojamos kaip integrinių grandynų (IC) substratas, nors jos taip pat yra pagrindinis fotovoltinių arba saulės elementų komponentas. Pagrindinis šių plokštelių gamybos procesas yra vienodas abiem šioms programoms, nors IC naudojamoms plokštelėms keliami daug aukštesni kokybės reikalavimai. Šios plokštelės taip pat atlieka papildomus veiksmus, tokius kaip jonų implantacija, ėsdinimas ir fotolitografinis modeliavimas, kurių nereikia saulės elementams.
