Med termen 'elektronik' finns det många saker du kan associera, särskilt elektroniska kretskortkomponenter som transistorer, dioder, IC och så vidare. Om du är helt medveten om dessa komponenter måste du vara medveten om de rådande kiselanvändningarna vid tillverkningen av dessa komponenter också.

Användning av kisel

Vad är kisel?

Kisel är ett halvledarmaterial med atomnummer 14, som ligger i grupp 4 i det periodiska systemet. Ren amorf kisel bereddes först av Jones Jacob Berzelius 1824, medan kristallint kisel först bereddes av Henry Etienne 1854.

Vad är halvledare?

Halvledare är inget annat än material med isolerande egenskaper i ren form och ledande egenskaper när de dopas eller tillsätts med orenheter. Halvledare har vanligtvis ett bandgap (energi som krävs för att elektroner ska lossna från kovalent bindning) mellan isolatorer (maximalt bandgap) och ledare (minsta bandgap). Ledningen eller laddningsflödet i halvledare beror på rörelsen av fria elektroner eller hål.

Om du känner till det periodiska systemet måste du vara medveten om grupperna i ett periodiskt system. Halvledarmaterial är vanligtvis närvarande i gruppen 4 i det periodiska systemet eller finns också som en kombination av grupp 3 och grupp 6, eller som en kombination av grupp 2 och grupp 4 också. De mest använda halvledarna är kisel, Germanium och Gallium-Arsenid.

Så, vad gör Silicon till det mest föredragna halvledarmaterialet i elektronik?

Följande är de främsta orsakerna:

1. Överflöd av kisel

Den främsta och mest framträdande anledningen till kiselens popularitet som val av material är dess överflöd. Nästa i linje med syre som är cirka 46% i jordskorpan, bildar kisel cirka 28% av jordskorpan. Det finns allmänt tillgängligt i form av sand (kiseldioxid) och kvarts.

Kisel överflöd i naturen

2. Kiseltillverkning

Kiselskivorna som används för produktion av IC och elektroniska komponenter tillverkas med effektiva och ekonomiska tekniker. Rent kisel eller polykisel erhålls genom följande steg:

Kvarts reagerar med koks för att producera metallurgiskt kisel i en elektrisk ugn.
Det metallurgiska kisel omvandlas sedan till triklorsilan (TCS) i reaktorer med fluidiserad bädd.
Därefter renas TCS genom destillation och sönderdelas sedan på heta kiselfilament i en reaktor tillsammans med väte. Slutligen är resultatet en poly-kiselstav.

Poly-kiselstaven kristalliseras sedan med Czochralski-metoden för att erhålla kiselkristaller eller göt. Dessa göt skärs slutligen i skivor med ID-skärning eller trådskärningsmetoder.

Kiseltillverkning

Alla ovanstående processer underlättar uppnående av erforderlig diameter, orientering, konduktivitet, dopningskoncentration och syrekoncentration som behövs för produktion av kiselskivor.

3. Kemiska egenskaper

Kemiska egenskaper avser de egenskaper med avseende på vilka reaktion mellan material och andra definieras. De kemiska egenskaperna beror direkt på grundämnets atomstruktur. Kristallint kisel som mest används i elektronik består av en diamantliknande struktur. Varje enhetscell består av 8 atomer i en bravais gitter arrangemang. Detta gör rent kisel mycket stabilt vid rumstemperatur jämfört med andra material som Germanium.
Således påverkas rent kisel minst av vatten, syra eller ånga. Vid högre temperatur i smält tillstånd bildar kisel också lätt oxider och nitrider och till och med legeringar.

4. Silikonstruktur

De fysiska egenskaperna hos kisel bidrar också till dess popularitet och användning som halvledarmaterial.

“typer av kretskort ”

Kiselstruktur

Kisel har ett måttligt energibandavstånd på 1,12 eV vid 0 K. Detta gör kisel till ett stabilt element jämfört med Germanium och minskar risken för läckström. Omvänd ström är i nano-ampere och är mycket låg.
Kristallin struktur av kisel består av ansiktscentrisk kubisk gitterstruktur med 34% packningstäthet. Detta möjliggör enkel ersättning av föroreningars atomer på gitterets tomma platser. Med andra ord är dopingkoncentrationen ganska hög, cirka 10 ^ 21atomer / cm ^ 3.

Detta förbättrar också möjligheten att tillsätta föroreningar som syre som de interstitiella atomerna i kristallgitteret. Detta ger skivorna en stark mekanisk hållfasthet mot olika typer av spänningar som termisk, mekanisk eller gravitationell.

Framspänningen för kiseldioder är 0,7 V, vilket är högre jämfört med Germanium-dioder. Detta gör dem mer stabila och förbättrar kiselanvändningar som likriktare.

5. Kiseldioxid

Den sista men inte minst anledningen till kiselens enorma popularitet är hur lätt det bildar oxider. Kiseldioxid är den mest använda isolatorn inom IC-teknik på grund av dess extremt stabila kemiska natur när den jämförs med andra oxider som Germanium, som är vattenlöslig och sönderdelas vid en temperatur på 800 grader Celsius.

Kiseldioxid

“hur en borstlös likströmsmotor fungerar ”

Kiseldioxid kan odlas termiskt med syre över kiselskivor vid högre temperatur eller avsättas med silan och syre.

Kiseldioxid används:

I IC-tillverkningstekniker som etsning, diffusion, jonimplantation etc.
I Dielectrics för elektroniska enheter.
Som ett ultratunnt lager för MOS- och CMOS-enheter. Detta har faktiskt ökat den stora populariteten hos CMOS-enheter med hög ingångsimpedans.
I 3D-enheter i MEM-teknik .

Så det här är de främsta orsakerna till den ökande användningen av kisel i elektronik. Vi hoppas att du nu kan ha fått en tydlig förståelse och lämpligt resonemang för varför kisel används som ett halvledarmaterial för att utveckla elektronikbaserade projekt. Här är en enkel men ändå intressant fråga för dig: Varför används inte kisel i lysdioder och fotodioder?

Fotokrediter: