Met de term ‘elektronica’ zijn er veel dingen die u kunt associëren, vooral de elektronische printplaat componenten zoals transistors, diodes, IC's enzovoort. Als u zich volledig bewust bent van deze componenten, moet u zich ook bewust zijn van de heersende toepassingen van silicium bij de fabricage van deze componenten.

Silicium gebruikt

Wat is silicium?

Silicium is een halfgeleidermateriaal met atoomnummer 14, gelegen in de groep 4 van het periodiek systeem. Zuiver amorf silicium werd voor het eerst bereid door Jones Jacob Berzelius in 1824, terwijl kristallijn silicium voor het eerst werd bereid door Henry Etienne in 1854.

Wat zijn halfgeleiders?

Halfgeleiders zijn niets anders dan materialen met isolerende eigenschappen in zuivere vorm en geleidende eigenschappen wanneer gedoteerd of toegevoegd met onzuiverheden. Halfgeleiders hebben meestal een bandafstand (energie die nodig is om elektronen los te laten van covalente binding) tussen isolatoren (maximale bandafstand) en geleiders (minimale bandafstand). De geleiding of stroom van lading in halfgeleiders is te wijten aan de beweging van vrije elektronen of gaten.

Als u bekend bent met het periodiek systeem, moet u zich bewust zijn van de groepen in een periodiek systeem. Halfgeleidermaterialen zijn meestal aanwezig in de groep 4 van het periodiek systeem of ook aanwezig als een combinatie van groep 3 en groep 6, of ook als een combinatie van groep 2 en groep 4. De meest gebruikte halfgeleiders zijn silicium, germanium en gallium-arsenide.

Dus, wat maakt silicium tot het meest geprefereerde halfgeleidermateriaal in elektronica?

De volgende zijn de belangrijkste redenen:

1. Overvloed aan silicium

De belangrijkste en meest prominente reden voor de populariteit van silicium als materiaal bij uitstek, is de overvloed. Naast zuurstof, dat ongeveer 46% in de aardkorst bevat, vormt silicium ongeveer 28% van de aardkorst. Het is overal verkrijgbaar in de vorm van zand (silica) en kwarts.

Silicium overvloed in de natuur

2. Siliciumproductie

De siliciumwafers die worden gebruikt voor de productie van IC's en elektronische componenten worden vervaardigd met behulp van effectieve en economische technieken. Zuiver silicium of polysilicium wordt verkregen door de volgende stappen:

Kwarts wordt gemaakt om te reageren met cokes om metallurgisch silicium te produceren in een elektrische oven.
De metallurgische silicium wordt dan omgezet naar trichloorsilaan (TCS) in wervelbedreactoren.
Vervolgens wordt TCS gezuiverd door destillatie en vervolgens samen met waterstof in een reactor ontleed op hete siliciumdraden. Ten slotte is het resultaat een polysiliciumstaaf.

De polysiliciumstaaf wordt vervolgens gekristalliseerd met behulp van de Czochralski-methode om siliciumkristallen of -staven te verkrijgen. Deze blokken worden tenslotte in wafers gesneden met behulp van ID-snij- of draadsnijmethoden.

Siliciumproductie

Alle bovenstaande processen vergemakkelijken het bereiken van de vereiste diameter, oriëntatie, geleidbaarheid, doteringsconcentratie en zuurstofconcentratie die nodig zijn voor de productie van siliciumwafers.

3. Chemische eigenschappen

Chemische eigenschappen verwijzen naar die eigenschappen ten aanzien waarvan de reactie van materialen met anderen wordt gedefinieerd. De chemische eigenschappen zijn rechtstreeks afhankelijk van de atomaire structuur van het element. Kristallijn silicium dat voornamelijk in elektronica wordt gebruikt, bestaat uit een diamantachtige structuur. Elke eenheidscel bestaat uit 8 atomen in een bravais rooster arrangement. Dit maakt puur silicium zeer stabiel bij kamertemperatuur in vergelijking met andere materialen zoals Germanium.
Zuiver silicium wordt dus het minst beïnvloed door water, zuur of stoom. Ook vormt silicium bij hogere temperatuur in gesmolten toestand gemakkelijk oxiden en nitriden en zelfs legeringen.

4. Siliciumstructuur

De fysische eigenschappen van silicium dragen ook bij aan de populariteit en het gebruik ervan als halfgeleidermateriaal.

“hoe de snelheid van een gelijkstroommotor te regelen? ”

Silicium structuur

Silicium heeft een gematigde energiebandafstand van 1,12 eV bij 0 K. Dit maakt silicium tot een stabiel element in vergelijking met Germanium en verkleint de kans op lekstroom. De tegenstroom is in nano-ampère en is erg laag.
De kristallijne structuur van silicium bestaat uit een kubusvormige roosterstructuur met een vlak gecentreerde structuur met een pakkingsdichtheid van 34%. Dit maakt een gemakkelijke vervanging van de atomen van onzuiverheden op de lege plaatsen van het rooster mogelijk. Met andere woorden, de dopingconcentratie is vrij hoog, ongeveer 10 ^ 21 atomen / cm ^ 3.

Dit vergroot ook de mogelijkheid om onzuiverheden zoals zuurstof toe te voegen als de interstitiële atomen in het kristalrooster. Dit geeft de wafers een sterke mechanische sterkte tegen verschillende soorten spanningen, zoals thermische, mechanische of zwaartekracht.

Voorwaartse spanning voor siliciumdiodes is 0,7 V, wat hoger is in vergelijking met germaniumdiodes. Dit maakt ze stabieler en verbetert het gebruik van silicium als gelijkrichters.

5. Siliciumdioxide

De laatste maar niet de minste reden voor de enorme populariteit van silicium, is het gemak waarmee het oxiden vormt. Siliciumdioxide is de meest gebruikte isolator in de IC-technologie vanwege zijn extreem stabiele chemische aard in vergelijking met andere oxiden zoals Germanium, dat in water oplosbaar is en ontleedt bij een temperatuur van 800 graden Celsius.

Siliciumdioxide

“eenvoudig schakelschema van de laadregelaar op zonne-energie ”

Siliciumdioxide kan thermisch worden gekweekt met zuurstof boven siliciumwafels bij hogere temperatuur of afgezet met silaan en zuurstof.

Siliciumdioxide wordt gebruikt:

In IC-fabricagetechnieken zoals etsen, diffusie, ionenimplantatie, enz.
In Diëlektrica voor de elektronische apparaten.
Als een ultradunne laag voor MOS- en CMOS-apparaten. Dit heeft in feite de brede populariteit van CMOS-apparaten met een hoge ingangsimpedantie vergroot.
In 3D-apparaten in MEMs-technologie

Dit zijn dus de belangrijkste redenen voor het toenemende gebruik van silicium in elektronica. We hopen dat u inmiddels een duidelijk begrip en een goede redenering heeft gekregen waarom silicium wordt gebruikt als halfgeleidermateriaal voor het ontwikkelen van op elektronica gebaseerde projecten. Hier is een simpele maar intrigerende vraag voor u: waarom wordt silicium niet gebruikt in LED's en fotodiodes?

Fotocredits: