Metaliczny krzemion (metal krzemowy), szczególnie w postaci ultra-wysokiej czystości (krzem elektroniczny, EG-SI), jest kamieniem węgielnym przemysłu półprzewodnikowego. Jego unikalne właściwości umożliwiają produkcję zaawansowanych urządzeń elektronicznych. Poniżej znajdują się kluczowe aplikacje:
1. Zintegrowane obwody (ICS) i mikroczipsy
Rola:Silicon to materiał podstawowy do produkcji płytek półprzewodników.
Proces:
Ultra-pure silicon (>99,9999999% lub 9n czystości) jest przekształcane naMonokrystaliczne wlewki krzemuprzezProces Czochralskiego (CZ)LubMetoda stref float (FZ).
Wlewki przecinane są na cienkie wafle (np. Średnicę 300 mm) w celu wytwarzania IC.
Kluczowe elementy:
Tranzystory:Wafle krzemu są domieszkowane elementami takimi jak bor (typ p) lub fosfor (typ N) w celu tworzenia tranzystorów.
Mikroprocesory:Miliardy tranzystorów są zintegrowane z układami do przetwarzania (np. Proces, GPU).
2. Urządzenia półprzewodników mocy
Urządzenia energetyczne na bazie silikonu:
Diody, MOSFETS, IGBTS:Używany w elektronice energetycznej do konwersji energii (np. Falowniki, dyski silnikowe).
Thyristors:Kontroluj zastosowania o dużej mocy w systemach przemysłowych.
Korzyść:Bandgap Bandgap (1,1 eV) równoważy wydajność i koszt zastosowań o średnim napięciu.
3. Chipsy pamięci
DRAM (dynamiczna pamięć o dostępie losowej):Przechowuje dane tymczasowo przy użyciu kondensatorów i tranzystorów na bazie krzemu.
Nand pamięć flash:Nieulotna pamięć w dyskach SSD, dyskach USB i urządzeniach mobilnych.
Pojawiające się technologie:
3D Nand:Układają warstwy silikonowe pionowo, aby zwiększyć gęstość przechowywania.
4. Ogniwa słoneczne (fotowoltaiki)
Krzem klasy słonecznej (SOG-SI):
Polikrystaliczne lub monokrystaliczne płytki silikonowe przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną.
Efektywność: Monocrystalline silicon cells achieve >22% wydajność.
Proces:
Metalurgiczny krzem jest oczyszczany do czystości 6N - 7N, a następnie krystalizuje się w wlewki i pokrojony na ogniwa słoneczne.
5. Czujniki i mEM
Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS):
Stabilność mechaniczna i zgodność z procesami IC umożliwiają zminiaturyzowane czujniki (np. Akcelerometry, żyroskopy).
Czujniki optyczne:Fotodiody krzemu wykrywają światło w kamerach i systemach lidarowych.
6. Optoelektronika
Diody emitujące światło (diody LED):Podłoża silikonowe są używane do niektórych diod LED w podczerwieni.
Fotodetektory:Urządzenia na bazie krzemu wykrywają światło w komunikacji światłowodowej.
7. Technologie wytwarzania opłat
Litografia:Wafle silikonowe są wzorowane za pomocą światła UV lub EUV do tworzenia obwodów w skali nanometru.
Trawienie i osadzanie:Warstwy dwutlenku krzemu (SiO₂) i azotku krzemu (Si₃n₄) są stosowane jako izolatory lub maski.
8. Zaawansowane opakowanie
Przetrzrusowe przelotki (TSVS):Włącz stosowanie układów 3D do obliczeń o wysokiej wydajności.
Interposery krzemowe:Podłącz wiele układów w zaawansowanych opakowaniach (np. Procesory Ryzen's Ryzen).
Kluczowe właściwości napędzające użycie półprzewodników
Półprzewodność:Doping Krzemowy kontroluje jego zachowanie elektryczne (typ p/typu N).
Stabilność termiczna:Wytrzymuje przetwarzanie o wysokiej temperaturze (np. Utlenianie, dyfuzja).
Struktura krystaliczna:Diamentowa sieć sześcienna pozwala na precyzyjną inżynierię na poziomie atomowym.
Obfitość:Krzem jest drugim obfitym elementem skorupy ziemskiej, zapewniając opłacalność.
Wyzwania i innowacje
Wymagania czystości:Usunięcie poziomów boru (B) i Fosfor (P) do poziomu Sub-PB ma kluczowe znaczenie dla niezawodności urządzenia.
Miniaturyzacja:Ekstremalna litografia ultrafioletowa (EUV) popycha przetwarzanie płytki krzemu do węzłów 2NM.
Materiały alternatywne:Podczas gdy krzem dominuje, związki takie jakGanISicsą używane do nisz o wysokiej częstotliwości/dużej mocy.
