Kremíkové doštičky sú vyrobené z jedného kryštálu vysoko čistého kremíka, zvyčajne s menej ako jednou časťou na miliardu kontaminantov. Czochralského proces je najbežnejšou metódou tvorby veľkých kryštálov tejto čistoty, ktorá zahŕňa vytiahnutie zárodočného kryštálu z roztaveného kremíka, bežne známeho ako tavenina. Zárodočný kryštál sa potom sformuje do valcového ingotu známeho ako boule.
Prvky, ako je bór a fosfor, môžu byť pridané do guľôčky v presných množstvách na riadenie elektrických vlastností doštičky, vo všeobecnosti za účelom vytvorenia polovodiča typu n alebo typu p. Guľa sa potom nareže na tenké plátky pomocou drôtovej píly známej aj ako plátková píla. Narezané plátky môžu byť leštené v rôznej miere.
Na čo sa používa silikónová doska?
Kremíkový plátok je tenký plátok kryštalického kremíka bežne používaný v elektronickom priemysle. Na tento účel sa používa kremík, pretože je to polovodič, čo znamená, že nie je ani silným vodičom, ani silným izolátorom elektriny. Jeho prirodzené množstvo a ďalšie vlastnosti vo všeobecnosti robia kremík výhodnejším ako iné polovodiče, ako je germánium na výrobu doštičiek.
Najbežnejšie rozmery kremíkových doštičiek závisia od ich použitia. Doštičky používané v integrovaných obvodoch sú okrúhle s priemerom typicky v rozmedzí od 100 do 300 milimetrov (mm). Hrúbka vo všeobecnosti rastie s priemerom a je zvyčajne v rozsahu 525 až 775 mikrónov (μm). Doštičky v solárnych článkoch sú zvyčajne štvorcové so stranami merajúcimi 100 až 200 mm. Ich hrúbka je medzi 200 a 300 μm, hoci sa očakáva, že v blízkej budúcnosti bude štandardizovaná na 160 μm.
Integrované obvody
IC, tiež známy ako mikročip alebo len čip, je súbor elektronických obvodov zasadených do substrátu z polovodičového materiálu. Monokryštalický kremík je v súčasnosti najbežnejším substrátom pre integrované obvody, hoci arzenid gália sa používa v niektorých aplikáciách, ako sú bezdrôtové komunikačné zariadenia. Dosky vyrobené zo zliatin kremíka a germánia sa tiež čoraz častejšie používajú, zvyčajne v aplikáciách, kde vyššia rýchlosť kremíka a germánia stojí za vyššie náklady.
Integrované obvody sa v súčasnosti používajú vo väčšine elektronických zariadení, pričom prakticky nahradili samostatné elektronické komponenty. Sú menšie, rýchlejšie a lacnejšie na výrobu ako diskrétne komponenty rádovo. Rýchle prijatie integrovaných obvodov v elektronickom priemysle je tiež spôsobené modulárnym dizajnom integrovaných obvodov, ktorý sa ľahko hodí na hromadnú výrobu.
Tieto vrstvy sú vyvolané podobným spôsobom ako bežné fotografie s tým rozdielom, že sa používa skôr ultrafialové svetlo ako viditeľné svetlo, pretože vlnové dĺžky viditeľného svetla sú príliš veľké na to, aby vytvorili prvky s potrebnou presnosťou. Vlastnosti moderných integrovaných obvodov sú také malé, že procesní inžinieri musia na ich odladenie používať elektrónové mikroskopy.
Výroba IC
Automatizované testovacie zariadenie (ATE) testuje každý plátok predtým, ako ho použije na vytvorenie integrovaného obvodu, čo je proces, ktorý sa bežne nazýva sondovanie plátku alebo testovanie plátku. Oblátka sa potom rozreže na obdĺžnikové kusy známe ako matrice a potom sa pripojí k elektronickému obalu pomocou elektricky vodivých drôtov, ktoré sú zvyčajne vyrobené zo zlata alebo hliníka. Tieto drôty sú spojené s podložkami, ktoré sú zvyčajne umiestnené okolo okraja matrice pomocou ultrazvuku v procese nazývanom termosonické spájanie.
Výsledné zariadenia prechádzajú záverečnými testovacími fázami, ktoré zvyčajne využívajú ATE a skenovacie zariadenie priemyselnej počítačovej tomografie (CT). Relatívne náklady na testovanie sa značne líšia v závislosti od výťažku, veľkosti a ceny zariadenia. Napríklad testovanie môže predstavovať viac ako 25 % celkových výrobných nákladov lacných zariadení, ale môže byť prakticky zanedbateľné pre veľké, drahé zariadenia s nízkou výťažnosťou.
Techniky
Výroba integrovaných obvodov je vysoko automatizovaný proces, ktorý využíva mnoho špecifických techník. Tieto schopnosti vedú k vysokým nákladom na vybudovanie výrobného zariadenia, ktoré môžu od roku 2016 presiahnuť 8 miliárd USD. Očakáva sa, že tieto náklady porastú oveľa rýchlejšie ako inflácia v dôsledku neustálej potreby väčšej automatizácie.
Trend smerom k menším tranzistorom bude v dohľadnej budúcnosti pokračovať, pričom 14 nm bude najmodernejším v roku 2016. Očakáva sa, že výrobcovia integrovaných obvodov ako Intel, Samsung, Global Foundries a TSMC začnú s prechodom na 10 nm tranzistory do konca roka 2017 .
Veľké doštičky poskytujú úsporu z rozsahu, čo znižuje celkové náklady na integrované obvody. Najväčšie komerčne dostupné plátky majú priemer 300 mm, pričom sa očakáva, že ďalšou maximálnou veľkosťou bude 450 mm. Na výrobu plátkov tejto veľkosti však stále existujú značné technické problémy.
Medzi ďalšie techniky používané pri výrobe integrovaných obvodov patria tri-gate tranzistory, ktoré Intel vyrába so šírkou 22 nm od roku 2011. IBM používa proces známy ako namáhaný kremík priamo na izolátore (SSDOI), ktorý odstraňuje vrstvu kremíka a germánia z oblátka.
Meď nahrádza hliníkové prepojenia v integrovaných obvodoch, predovšetkým kvôli svojej väčšej elektrickej vodivosti. Dielektrické izolátory s nízkym obsahom K a Silicon on Insulators (SOI) sú tiež pokročilé výrobné techniky pre integrované obvody.
Ďalšie zdroje o polovodičoch
Základné pojmy a definície oblátok
Rezanie Si doštičiek mimo osi
Zrážanie kyslíka v kremíku
Vlastnosti skla vo vzťahu k aplikáciám s kremíkom
Sprievodca špecifikáciami SEMI pre doštičky Si
Mokré chemické leptanie a čistenie kremíka
Solárne bunky
Solárny článok využíva fotovoltaický efekt na premenu svetelnej energie na elektrickú energiu, čo vo všeobecnosti zahŕňa absorpciu svetla nejakým materiálom na excitáciu elektrónov do stavu s vyššou energiou. Je to typ fotoelektrického článku, zariadenia, ktoré pri vystavení svetlu mení svoje elektrické charakteristiky. Solárne články môžu využívať svetlo z akéhokoľvek zdroja, aj keď výraz „solárne“ znamená, že vyžadujú slnečné svetlo.
Výroba elektriny ako zdroja energie je jednou z najznámejších aplikácií pre solárne články. Tieto typy solárnych článkov využívajú na nabíjanie batérie zdroj svetla, ktorý možno použiť na napájanie elektrického zariadenia.
Solárne články sú často integrované do zariadenia, ktoré majú napájať. Napríklad solárne svetlá bežne dostupné v obchodoch pre domácich majstrov využívajú solárne články na nabíjanie batérie počas dňa. V noci batéria napája pohybový senzor, ktorý rozsvieti svetlo, keď zaznamená pohyb.
Solárne články možno rozdeliť na typy prvej, druhej a tretej generácie. Články prvej generácie sa skladajú z kryštalického kremíka, vrátane monokryštalického kremíka a polysilikónu. V súčasnosti sú najbežnejším typom solárnych článkov. Články druhej generácie využívajú tenký film zložený z amorfného kremíka a zvyčajne sa používajú v komerčných elektrárňach. Solárne články tretej generácie využívajú tenký film vyvinutý rôznymi novými technológiami av súčasnosti majú obmedzené komerčné využitie.
Výroba solárnych článkov
Veľká väčšina solárnych článkov prvej generácie sa skladá z kryštalického kremíka, hoci jeho štrukturálna kvalita a čistota sú oveľa nižšie ako tie, ktoré sa používajú v integrovaných obvodoch. Monokryštalický kremík premieňa svetlo na elektrinu efektívnejšie ako polykremík, ale monokryštalický kremík je tiež drahší.
Oblátky sa rozrežú na štvorce, aby sa vytvorili jednotlivé bunky, a ich rohy sa potom odstrihnú, aby vytvorili osemuholníky. Tento tvar dodáva solárnym panelom ich charakteristický vzhľad podobný diamantu. Všetky články, ktoré tvoria solárny panel, musia byť orientované pozdĺž rovnakej roviny, aby sa maximalizovala účinnosť konverzie. Panely sú zvyčajne pokryté tabuľou skla na strane, ktorá je obrátená k slnku, aby chránila plátky.
Solárne články môžu byť zapojené sériovo alebo paralelne, v závislosti od špecifických požiadaviek. Zapojenie článkov do série zvyšuje ich napätie, zatiaľ čo ich paralelné spojenie zvyšuje prúd. Primárnou nevýhodou paralelných strún je to, že tieňové efekty môžu spôsobiť vypnutie tienených strún, čo môže spôsobiť, že osvetlené struny aplikujú spätné predpätie na tienené struny. Tento efekt môže mať za následok podstatnú stratu výkonu a dokonca poškodenie buniek.
Uprednostňovaným riešením tohto problému je spojiť reťazce článkov do série za účelom vytvorenia modulov a použiť sledovače maximálneho výkonu (MPPT) na zvládnutie energetických požiadaviek reťazcov nezávisle od seba. Moduly však môžu byť tiež vzájomne prepojené, aby vytvorili pole s požadovaným zaťažovacím prúdom a špičkovým napätím. Ďalším riešením problémov spôsobených tieňovými efektmi je použitie bočných diód na zníženie straty energie.
Zväčšenie veľkosti
Trend smerom k väčším guľám v polovodičovom priemysle viedol k nárastu veľkosti solárnych článkov. Solárne panely vyvinuté v 80. rokoch 20. storočia sú vyrobené z článkov s priemerom medzi 50 a 100 mm. Panely vyrobené v priebehu 90. a 20. storočia zvyčajne používali doštičky s priemerom 125 mm a panely vyrobené od roku 2008 majú bunky 156 mm.
Použitie kremíkových doštičiek
Kremíkové doštičky sa najčastejšie používajú ako substrát pre integrované obvody (IC), hoci sú tiež hlavnou súčasťou fotovoltaických alebo solárnych článkov. Základný proces výroby týchto doštičiek je rovnaký pre obe tieto aplikácie, hoci požiadavky na kvalitu sú oveľa vyššie pre doštičky používané v integrovaných obvodoch. Tieto doštičky tiež podstupujú ďalšie kroky, ako je implantácia iónov, leptanie a fotolitografické vzorovanie, ktoré nie sú potrebné pre solárne články.
