ویفر سیلیکونی برای چه مواردی استفاده می شود؟

ویفرهای سیلیکونی از یک کریستال سیلیکون بسیار خالص ساخته می شوند که معمولاً کمتر از یک قسمت در میلیارد آلاینده دارد. فرآیند Czochralski رایج‌ترین روش برای تشکیل کریستال‌های بزرگ با این خلوص است که شامل کشیدن کریستال دانه از سیلیکون مذاب است که معمولاً به عنوان مذاب شناخته می‌شود. سپس کریستال بذر به شکل یک شمش استوانه‌ای شکل می‌گیرد که به آن بول می‌گویند.

عناصری مانند بور و فسفر ممکن است در مقادیر دقیق به بول اضافه شوند تا خواص الکتریکی ویفر را کنترل کنند، عموماً به منظور تبدیل آن به نیمه هادی نوع n یا p. سپس با استفاده از اره سیمی که به عنوان اره ویفر نیز شناخته می شود، بول را به برش های نازک برش می زنند. ویفرهای برش خورده ممکن است به درجات مختلف پرداخت شوند.

ویفر سیلیکونی برای چه مواردی استفاده می شود؟

ویفر سیلیکونی یک برش نازک از سیلیکون کریستالی است که معمولا در صنعت الکترونیک استفاده می شود. سیلیکون برای این منظور استفاده می شود زیرا نیمه هادی است، یعنی نه هادی قوی و نه عایق قوی الکتریسیته است. فراوانی طبیعی و سایر خواص آن به طور کلی سیلیکون را نسبت به نیمه هادی های دیگر مانند ژرمانیوم برای ساخت ویفر ترجیح می دهد.

متداول ترین ابعاد ویفرهای سیلیکونی به کاربرد آنها بستگی دارد. ویفرهای مورد استفاده در آی سی ها گرد با قطرهای معمولاً بین 100 تا 300 میلی متر (میلی متر) هستند. ضخامت به طور کلی با قطر افزایش می یابد و معمولاً در محدوده 525 تا 775 میکرون (μm) است. ویفرها در سلول‌های خورشیدی معمولاً مربعی شکل هستند که اضلاع آن بین 100 تا 200 میلی‌متر است. ضخامت آنها بین 200 تا 300 میکرومتر است، اگرچه انتظار می رود در آینده نزدیک تا 160 میکرومتر استاندارد شود.

مدارهای مجتمع

یک آی سی که به عنوان ریزتراشه یا فقط تراشه نیز شناخته می شود، مجموعه ای از مدارهای الکترونیکی است که در زیرلایه ای از مواد نیمه هادی قرار می گیرند. سیلیکون تک کریستالی در حال حاضر رایج ترین بستر برای IC ها است، اگرچه آرسنید گالیم در برخی از کاربردها مانند دستگاه های ارتباطی بی سیم استفاده می شود. ویفرهای ساخته شده از آلیاژهای سیلیکون ژرمانیوم نیز به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً در کاربردهایی که سرعت بیشتر سیلیکون ژرمانیوم ارزش هزینه بالاتر را دارد.

آی سی ها در حال حاضر در اکثر دستگاه های الکترونیکی استفاده می شوند و عملاً جایگزین قطعات الکترونیکی جداگانه شده اند. آنها کوچکتر، سریعتر و ارزانتر از قطعات گسسته ساخته می شوند. پذیرش سریع آی سی ها در صنعت الکترونیک نیز به دلیل طراحی مدولار آی سی ها است که به راحتی خود را به تولید انبوه می رساند.

این لایه‌ها به شیوه‌ای مشابه عکس‌های معمولی توسعه می‌یابند با این تفاوت که از نور ماوراء بنفش به جای نور مرئی استفاده می‌شود، زیرا طول موج‌های نور مرئی برای ایجاد ویژگی‌ها با دقت لازم بسیار بزرگ است. ویژگی های آی سی های مدرن به قدری کوچک است که مهندسان فرآیند باید از میکروسکوپ های الکترونی برای رفع اشکال استفاده کنند.

ساخت آی سی

تجهیزات تست خودکار (ATE) هر ویفر را قبل از استفاده از آن برای ساخت IC آزمایش می کند، فرآیندی که معمولاً به عنوان کاوش ویفر یا تست ویفر شناخته می شود. سپس ویفر را به قطعات مستطیلی که به عنوان قالب شناخته می شوند برش می دهند و سپس از طریق سیم های رسانای الکتریکی که معمولاً از طلا یا آلومینیوم ساخته شده اند به یک بسته الکترونیکی متصل می شوند. این سیم‌ها با استفاده از امواج فراصوت در فرآیندی به نام پیوند حرارتی به پدهایی متصل می‌شوند که معمولاً در اطراف لبه قالب قرار دارند.

دستگاه های به دست آمده تحت مراحل آزمایش نهایی قرار می گیرند که معمولاً از ATE و تجهیزات اسکن توموگرافی کامپیوتری صنعتی (CT) استفاده می کنند. هزینه نسبی آزمایش با توجه به عملکرد، اندازه و هزینه دستگاه بسیار متفاوت است. برای مثال، آزمایش ممکن است بیش از 25 درصد از کل هزینه‌های ساخت دستگاه‌های ارزان‌قیمت را به خود اختصاص دهد، اما برای دستگاه‌های بزرگ و گران‌قیمت با بازده پایین تقریباً ناچیز است.

تکنیک

ساخت آی سی ها یک فرآیند بسیار خودکار است که از تکنیک های خاصی استفاده می کند. این قابلیت‌ها باعث هزینه بالای ساخت یک تاسیسات ساخت می‌شود که می‌تواند تا سال 2016 بیش از 8 میلیارد دلار باشد. انتظار می‌رود این هزینه به دلیل نیاز مداوم به اتوماسیون بیشتر، سریع‌تر از تورم افزایش یابد.

روند به سمت ترانزیستورهای کوچکتر در آینده قابل پیش بینی ادامه خواهد داشت، به طوری که 14 نانومتر در سال 2016 به روز خواهد بود. انتظار می رود سازندگان آی سی مانند اینتل، سامسونگ، گلوبال فاندریز و TSMC تا پایان سال 2017 انتقال به ترانزیستورهای 10 نانومتری را آغاز کنند. .

ویفرهای بزرگ صرفه جویی در مقیاس را فراهم می کند که هزینه کل آی سی ها را کاهش می دهد. بزرگترین ویفرهای موجود در بازار 300 میلی متر قطر دارند و انتظار می رود حداکثر اندازه بعدی 450 میلی متر باشد. با این حال، چالش های فنی قابل توجهی هنوز برای ساخت ویفرهایی با این اندازه وجود دارد.

تکنیک های اضافی مورد استفاده در ساخت آی سی ها عبارتند از ترانزیستورهای تری گیت که اینتل از سال 2011 با عرض 22 نانومتر تولید کرده است. IBM از فرآیندی به نام سیلیکون فشرده مستقیماً روی عایق (SSDOI) استفاده می کند که لایه سیلیکون-ژرمانیوم را از بین می برد. یک ویفر

مس در اصل به دلیل رسانایی الکتریکی بیشتر، جایگزین اتصالات آلومینیومی در آی سی ها می شود. عایق‌های دی‌الکتریک با پتاسیم پایین و عایق‌های سیلیکونی (SOI) نیز تکنیک‌های پیشرفته‌ای برای تولید آی‌سی هستند.

منابع دیگر درباره نیمه هادی ها

اصطلاحات و تعاریف اولیه ویفر
برش ویفرهای سی خارج از محور
بارش اکسیژن در سیلیکون
خواص شیشه در ارتباط با کاربردهای سیلیکون
راهنمای مشخصات SEMI برای ویفرهای Si
حکاکی و تمیز کردن سیلیکون به روش شیمیایی مرطوب

سلول های خورشیدی

یک سلول خورشیدی از اثر فتوولتائیک برای تبدیل انرژی نور به انرژی الکتریکی استفاده می کند، که به طور کلی شامل جذب نور توسط برخی مواد برای تحریک الکترون ها به حالت انرژی بالاتر است. این یک نوع سلول فوتوالکتریک است، دستگاهی که وقتی در معرض نور قرار می گیرد ویژگی های الکتریکی خود را تغییر می دهد. سلول های خورشیدی می توانند از هر منبعی از نور استفاده کنند، حتی اگر اصطلاح "خورشیدی" به معنای نیاز به نور خورشید باشد.

تولید برق به عنوان منبع انرژی یکی از شناخته شده ترین کاربردهای سلول های خورشیدی است. این نوع سلول‌های خورشیدی از منبع نور برای شارژ باتری استفاده می‌کنند که می‌توان از آن برای تامین انرژی یک دستگاه الکتریکی استفاده کرد.

سلول های خورشیدی اغلب در دستگاهی که برای تامین انرژی در نظر گرفته شده اند، ادغام می شوند. برای مثال، چراغ‌های خورشیدی که معمولاً در فروشگاه‌های لوازم خانگی موجود هستند، از سلول‌های خورشیدی برای شارژ باتری در طول روز استفاده می‌کنند. در شب، باتری یک حسگر حرکتی را تامین می کند که با تشخیص حرکت، چراغ را روشن می کند.

سلول های خورشیدی را می توان به انواع نسل اول، دوم و سوم طبقه بندی کرد. سلول های نسل اول از سیلیکون کریستالی شامل سیلیکون مونو کریستال و پلی سیلیکون تشکیل شده اند. آنها در حال حاضر رایج ترین نوع سلول های خورشیدی هستند. سلول های نسل دوم از لایه نازک متشکل از سیلیکون آمورف استفاده می کنند و معمولاً در نیروگاه های تجاری استفاده می شوند. سلول های خورشیدی نسل سوم از لایه نازکی استفاده می کنند که با انواع فناوری های نوظهور توسعه یافته و در حال حاضر کاربردهای تجاری محدودی دارند.

ساخت سلول های خورشیدی

اکثر سلول های خورشیدی نسل اول از سیلیکون کریستالی تشکیل شده اند، اگرچه کیفیت ساختاری و خلوص آن بسیار کمتر از آنچه در IC ها استفاده می شود است. سیلیکون تک کریستالی نور را با کارایی بیشتری نسبت به پلی سیلیکون به الکتریسیته تبدیل می کند، اما سیلیکون تک کریستالی نیز گرانتر است.

ویفرها به شکل مربع بریده می شوند تا سلول های جداگانه تشکیل شود و سپس گوشه های آنها بریده می شود تا هشت ضلعی تشکیل شود. این شکل به پنل های خورشیدی ظاهری متمایز شبیه الماس می دهد. سلول‌هایی که یک پنل خورشیدی را تشکیل می‌دهند باید همگی در امتداد یک صفحه قرار گیرند تا بازده تبدیل را به حداکثر برسانند. پانل ها معمولاً با یک ورقه شیشه ای در سمتی که رو به خورشید است پوشیده می شوند تا از ویفرها محافظت کنند.

سلول های خورشیدی بسته به نیازهای خاص ممکن است به صورت سری یا موازی متصل شوند. اتصال سلول ها به صورت سری باعث افزایش ولتاژ آنها می شود در حالی که اتصال موازی آنها باعث افزایش جریان می شود. نقطه ضعف اصلی رشته های موازی این است که اثرات سایه می تواند باعث خاموش شدن رشته های سایه دار شود، که می تواند باعث شود رشته های نورانی یک بایاس معکوس به رشته های سایه دار اعمال کنند. این اثر می تواند منجر به از دست دادن قابل توجه قدرت و حتی آسیب به سلول ها شود.

راه حل ترجیحی برای این مشکل این است که رشته هایی از سلول ها را به صورت سری به هم وصل کنیم تا ماژول ها را تشکیل دهند و از ردیاب نقطه حداکثر توان (MPPT) برای رسیدگی به نیازهای برق رشته ها مستقل از یکدیگر استفاده کنند. با این حال، ماژول ها همچنین می توانند به هم متصل شوند تا یک آرایه با جریان بارگذاری مورد نظر و ولتاژ اوج تشکیل دهند. راه حل دیگر برای مشکلات ناشی از اثرات سایه، استفاده از دیودهای شنت برای کاهش تلفات برق است.

افزایش سایز

گرایش به سمت بول های بزرگتر در صنعت نیمه هادی منجر به افزایش اندازه سلول های خورشیدی شده است. پنل های خورشیدی توسعه یافته در دهه 1980 از سلول هایی با قطر بین 50 تا 100 میلی متر ساخته شده اند. پانل های ساخته شده در دهه های 1990 و 2000 معمولاً از ویفرهایی با قطر 125 میلی متر استفاده می کردند و پانل های ساخته شده از سال 2008 دارای سلول های 156 میلی متری هستند.

استفاده از ویفرهای سیلیکونی

ویفرهای سیلیکونی اغلب به عنوان بستر مدارهای مجتمع (IC) استفاده می شوند، اگرچه آنها همچنین جزء اصلی سلول های فتوولتائیک یا خورشیدی هستند. فرآیند اصلی ساخت این ویفرها برای هر دوی این کاربردها یکسان است، اگرچه الزامات کیفی برای ویفرهای مورد استفاده در آی سی ها بسیار بالاتر است. این ویفرها همچنین مراحل دیگری مانند کاشت یون، اچینگ و الگوبرداری فوتولیتوگرافی را انجام می‌دهند که برای سلول‌های خورشیدی مورد نیاز نیستند.