Płytki krzemowe są wykonane z monokryształu bardzo czystego krzemu, zwykle zawierającego mniej niż jedną część na miliard zanieczyszczeń. Najpowszechniejszą metodą formowania dużych kryształów tej czystości jest proces Czochralskiego, polegający na wyciągnięciu kryształu zaszczepiającego ze stopionego krzemu, zwanego potocznie stopem. Kryształ zaszczepiający jest następnie formowany w cylindryczny wlewek zwany kulą.
Do kulki można dodawać pierwiastki takie jak bor i fosfor w dokładnych ilościach, aby kontrolować właściwości elektryczne płytki, zazwyczaj w celu uczynienia z niej półprzewodnika typu n lub p. Bulę następnie kroi się na cienkie plasterki za pomocą piły drucianej, zwanej również piłą do wafli. Pocięte wafle można polerować w różnym stopniu.
Do czego służy wafel krzemowy?
Płytka krzemowa to cienki plaster krzemu krystalicznego powszechnie stosowany w przemyśle elektronicznym. W tym celu wykorzystuje się krzem, ponieważ jest półprzewodnikiem, co oznacza, że nie jest ani silnym przewodnikiem, ani silnym izolatorem prądu elektrycznego. Jego naturalna obfitość i inne właściwości generalnie sprawiają, że krzem jest preferowany do produkcji płytek krzemowych od innych półprzewodników, takich jak german.
Najczęstsze wymiary płytek krzemowych zależą od ich zastosowania. Płytki stosowane w układach scalonych są okrągłe i mają średnicę zwykle w zakresie od 100 do 300 milimetrów (mm). Grubość na ogół wzrasta wraz ze średnicą i zwykle mieści się w zakresie od 525 do 775 mikronów (µm). Płytki w ogniwach słonecznych są zwykle kwadratowe i mają boki o wymiarach od 100 do 200 mm. Ich grubość wynosi od 200 do 300 µm, chociaż oczekuje się, że w najbliższej przyszłości zostanie ona ujednolicona do 160 µm.
Obwody scalone
Układ scalony, znany również jako mikrochip lub po prostu chip, to zestaw obwodów elektronicznych osadzonych w podłożu z materiału półprzewodnikowego. Krzem monokrystaliczny jest obecnie najpopularniejszym podłożem dla układów scalonych, chociaż arsenek galu jest używany w niektórych zastosowaniach, takich jak urządzenia komunikacji bezprzewodowej. Płytki wykonane ze stopów krzemu i germanu są również coraz szerzej stosowane, zazwyczaj w zastosowaniach, w których większa prędkość krzemu i germanu jest warta wyższych kosztów.
Układy scalone są obecnie stosowane w większości urządzeń elektronicznych i praktycznie zastąpiły oddzielne komponenty elektroniczne. Są o rzędy wielkości mniejsze, szybsze i tańsze w produkcji niż elementy dyskretne. Szybkie przyjęcie układów scalonych w przemyśle elektronicznym wynika również z modułowej konstrukcji układów scalonych, która z łatwością nadaje się do masowej produkcji.
Warstwy te są wywoływane w podobny sposób jak zwykłe fotografie, z tą różnicą, że zamiast światła widzialnego wykorzystuje się światło ultrafioletowe, ponieważ długości fal światła widzialnego są zbyt duże, aby stworzyć cechy z niezbędną precyzją. Cechy nowoczesnych układów scalonych są tak małe, że inżynierowie zajmujący się procesami muszą używać mikroskopów elektronowych do ich debugowania.
Produkcja układów scalonych
Zautomatyzowany sprzęt testowy (ATE) testuje każdą płytkę przed użyciem jej do wykonania układu scalonego. Jest to proces powszechnie znany jako sondowanie płytek lub testowanie płytek. Następnie płytkę tnie się na prostokątne kawałki zwane matrycami, a następnie łączy z pakietem elektronicznym za pomocą przewodów przewodzących prąd elektryczny, które są zwykle wykonane ze złota lub aluminium. Druty te są łączone z podkładkami, które zwykle znajdują się wokół krawędzi matrycy, za pomocą ultradźwięków w procesie zwanym łączeniem termodźwiękowym.
Powstałe urządzenia przechodzą końcowe fazy testów, w których zazwyczaj wykorzystuje się sprzęt do skanowania ATE i przemysłową tomografię komputerową (CT). Względny koszt testowania różni się znacznie w zależności od wydajności, rozmiaru i kosztu urządzenia. Na przykład testowanie może stanowić ponad 25% całkowitych kosztów produkcji niedrogich urządzeń, ale w przypadku dużych, drogich urządzeń o niskiej wydajności może być praktycznie nieistotne.
Techniki
Produkcja układów scalonych to wysoce zautomatyzowany proces, w którym wykorzystuje się wiele specyficznych technik. Możliwości te powodują wysoki koszt budowy zakładu produkcyjnego, który w 2016 r. może przekroczyć 8 miliardów dolarów. Oczekuje się, że koszt ten będzie rósł znacznie szybciej niż inflacja ze względu na ciągłą potrzebę większej automatyzacji.
Trend w kierunku mniejszych tranzystorów utrzyma się w dającej się przewidzieć przyszłości, przy czym w 2016 r. technologia 14 nm będzie najnowocześniejszą technologią. Oczekuje się, że producenci układów scalonych, tacy jak Intel, Samsung, Global Foundries i TSMC, rozpoczną przechodzenie na tranzystory 10 nm do końca 2017 r. .
Duże płytki zapewniają ekonomię skali, co zmniejsza całkowity koszt układów scalonych. Największe dostępne na rynku wafle mają średnicę 300 mm, przy czym oczekuje się, że kolejnym maksymalnym rozmiarem będzie 450 mm. Jednakże w dalszym ciągu istnieją poważne wyzwania techniczne związane z wytwarzaniem płytek tej wielkości.
Dodatkowe techniki stosowane w produkcji układów scalonych obejmują tranzystory trójbramkowe, które firma Intel produkuje od 2011 r. o szerokości 22 nm. IBM stosuje proces znany jako naprężony krzem bezpośrednio na izolatorze (SSDOI), który usuwa warstwę krzemowo-germanową z wafelek.
Miedź zastępuje aluminiowe złącza w układach scalonych, przede wszystkim ze względu na większą przewodność elektryczną. Izolatory dielektryczne o niskiej wartości K i izolatory krzemowe (SOI) to również zaawansowane techniki produkcji układów scalonych.
Inne zasoby dotyczące półprzewodników
Podstawowe terminy i definicje dotyczące opłatków
Cięcie płytek Si poza osią
Wytrącanie tlenu w krzemie
Właściwości szkła w odniesieniu do zastosowań z krzemem
Przewodnik po specyfikacjach SEMI dla płytek Si
Trawienie chemiczne na mokro i czyszczenie krzemu
Ogniwa słoneczne
Ogniwo słoneczne wykorzystuje efekt fotowoltaiczny do przekształcania energii świetlnej w energię elektryczną, co zazwyczaj wiąże się z absorpcją światła przez jakiś materiał w celu wzbudzenia elektronów do wyższego stanu energetycznego. Jest to rodzaj ogniwa fotoelektrycznego, czyli urządzenia, które zmienia swoje właściwości elektryczne pod wpływem światła. Ogniwa słoneczne mogą wykorzystywać światło z dowolnego źródła, mimo że termin „słoneczne” sugeruje, że wymagają światła słonecznego.
Wytwarzanie energii elektrycznej jako źródła energii jest jednym z najbardziej znanych zastosowań ogniw słonecznych. Tego typu ogniwa słoneczne wykorzystują źródło światła do ładowania akumulatora, który może służyć do zasilania urządzenia elektrycznego.
Ogniwa słoneczne są często zintegrowane z urządzeniem, które mają zasilać. Na przykład lampy zasilane energią słoneczną, powszechnie dostępne w sklepach z artykułami wyposażenia wnętrz, wykorzystują ogniwa słoneczne do ładowania akumulatora w ciągu dnia. W nocy bateria zasila czujnik ruchu, który włącza światło po wykryciu ruchu.
Ogniwa słoneczne można podzielić na typy pierwszej, drugiej i trzeciej generacji. Ogniwa pierwszej generacji składają się z krzemu krystalicznego, w tym krzemu monokrystalicznego i polikrzemu. Są obecnie najpopularniejszym typem ogniw słonecznych. Ogniwa drugiej generacji wykorzystują cienką warstwę złożoną z amorficznego krzemu i są zwykle stosowane w elektrowniach komercyjnych. Ogniwa słoneczne trzeciej generacji wykorzystują cienką warstwę opracowaną przy użyciu różnych nowych technologii i mają obecnie ograniczone zastosowania komercyjne.
Produkcja ogniw słonecznych
Zdecydowana większość ogniw słonecznych pierwszej generacji składa się z krzemu krystalicznego, chociaż jego jakość strukturalna i czystość są znacznie niższe od stosowanych w układach scalonych. Krzem monokrystaliczny przetwarza światło w energię elektryczną wydajniej niż polikrzem, ale krzem monokrystaliczny jest również droższy.
Wafle tnie się na kwadraty, tworząc pojedyncze komórki, a następnie ich rogi przycina się, tworząc ośmiokąty. Kształt ten nadaje panelom słonecznym charakterystyczny wygląd przypominający diament. Wszystkie ogniwa tworzące panel słoneczny muszą być ustawione wzdłuż tej samej płaszczyzny, aby zmaksymalizować wydajność konwersji. Panele są zwykle przykryte taflą szkła od strony skierowanej w stronę słońca, aby chronić płytki.
Ogniwa słoneczne można łączyć szeregowo lub równolegle, w zależności od konkretnych wymagań. Łącząc ogniwa szeregowo zwiększa się ich napięcie, a łącząc je równolegle zwiększa się prąd. Podstawową wadą równoległych strun jest to, że efekty cienia mogą powodować wyłączenie zacienionych strun, co może spowodować, że oświetlone struny zastosują odwrotne odchylenie w stosunku do zacienionych strun. Efekt ten może skutkować znaczną utratą mocy, a nawet uszkodzeniem ogniw.
Preferowanym rozwiązaniem tego problemu jest połączenie szeregowe ciągów ogniw w celu utworzenia modułów i wykorzystanie modułów śledzących maksymalny punkt mocy (MPPT) do obsługi zapotrzebowania ciągów na moc niezależnie od siebie. Jednakże moduły można również łączyć ze sobą, tworząc układ o pożądanym prądzie ładowania i napięciu szczytowym. Innym rozwiązaniem problemów spowodowanych efektami cienia jest zastosowanie diod bocznikowych w celu zmniejszenia strat mocy.
Zwiększenie rozmiaru
Trend w kierunku większych kul w przemyśle półprzewodników spowodował wzrost rozmiarów ogniw słonecznych. Panele słoneczne opracowane w latach 80. XX wieku składają się z ogniw o średnicy od 50 do 100 mm. W panelach produkowanych w latach 90. i 2000. XX wieku stosowano zazwyczaj płytki o średnicy 125 mm, a panele produkowane od 2008 r. miały ogniwa o średnicy 156 mm.
Zastosowanie płytek krzemowych
Płytki krzemowe są najczęściej stosowane jako podłoże dla układów scalonych (IC), chociaż są również głównym składnikiem ogniw fotowoltaicznych, czyli słonecznych. Podstawowy proces wytwarzania tych płytek jest taki sam w obu przypadkach, chociaż wymagania jakościowe są znacznie wyższe w przypadku płytek stosowanych w układach scalonych. Płytki te przechodzą również dodatkowe etapy, takie jak implantacja jonów, trawienie i tworzenie wzorów fotolitograficznych, które nie są potrzebne w przypadku ogniw słonecznych.