Металевий кремній (кремнієвий метал), особливо в його ультра високій формі (електронний кремнію, EG-SI), є наріжним каменем напівпровідникової галузі. Його унікальні властивості дозволяють виробляти передові електронні пристрої. Нижче наведено його ключові програми:
1. Інтегровані схеми (ICS) та мікрочіпи
Роль:Кремній - це основний матеріал для виробництва напівпровідникових вафель.
Процес:
Ultra-pure silicon (>99,9999999% або 9n чистота) перетворюється намонокристалічні злитки кремніючерезПроцес Чокральського (CZ)абоМетод поплавкової зони (FZ).
Злики нарізають тонкі вафлі (наприклад, діаметр 300 мм) для виготовлення ІС.
Ключові компоненти:
Транзистори:Для створення транзисторів для створення транзисторів.
Мікропроцесори:Мільярди транзисторів інтегруються в мікросхеми для обчислень (наприклад, процесори, графічні процесори).
2. Силові напівпровідникові пристрої
Силіконові пристрої на основі кремнію:
Діоди, мосфети, IGBTS:Використовується в електроніці для перетворення енергії (наприклад, інвертори, двигуни).
Тиристори:Контроль застосувань з високою потужністю у промислових системах.
Перевага:Силіконова смуга (1,1 еВ) врівноважує ефективність та вартість застосувань середньої напруги.
3. Чіпи пам'яті
DRAM (динамічна пам'ять з випадковим доступом):Тимчасово зберігають дані, використовуючи конденсатори та транзистори на основі кремнію.
NAND Flash Memory:Ненуєльне зберігання в SSD, USB-накопичувачах та мобільних пристроях.
Нові технології:
3D NAND:Стаки кремнієві шари вертикально для збільшення щільності зберігання.
4. Сонячні клітини (фотоелектрики)
Сонячний кремній (SOG-SI):
Полікристалічні або монокристалічні кремнієві вафлі перетворюють сонячне світло в електроенергію.
Ефективність: Monocrystalline silicon cells achieve >22% ефективність.
Процес:
Металургійний кремній очищають до чистоти 6n–7n, потім кристалізуються в зливи і нарізають у сонячні батареї.
5. Датчики та мемс
Мікроелектромеханічні системи (MEMS):
Механічна стабільність та сумісність кремнію з процесами ІС дозволяють мініатюризованими датчиками (наприклад, акселерометри, гіроскопи).
Оптичні датчики:Силіконові фотодіоди виявляють світло в системах камер та лідарів.
6. Оптоелектроніка
Діоди, що випромінюють світло (світлодіоди):Кремнієві підкладки використовуються для деяких інфрачервоних світлодіодів.
Фотопрофетори:Пристрої на основі кремнію виявляють світло у волоконно-оптичних комунікаціях.
7. Технології виготовлення вафель
Літографія:Силіконові вафлі малюються за допомогою УФ або EUV світла для створення нанометрових схем.
Травлення та осадження:Кремнієві діоксиди (Sio₂) та нітрид кремнію (Si₃n₄) використовуються як ізолятори або маски.
8. Розширена упаковка
Через силіконовий віас (TSV):Увімкнути 3D-укладання мікросхем для високопродуктивних обчислень.
Кремнієві інтерпозитори:Підключіть кілька мікросхем в розширеній упаковці (наприклад, процесори Ryzen AMD).
Основні властивості, що ведуть напівпровідникове використання
Напівпровідність:Допінг кремній контролює свою електричну поведінку (тип P-типу/N).
Теплова стабільність:Витримує високотемпературну обробку (наприклад, окислення, дифузія).
Кристалічна структура:Діамантова кубічна решітка дозволяє точну інженерію атомного рівня.
Достаток:Кремній-це другий за великим елементом у земній корі, що забезпечує економічну ефективність.
Виклики та інновації
Вимоги до чистоти:Видалення бору (B) та фосфору (P) до рівнів Sub-PPB є критичним для надійності пристрою.
Мініатюризація:Екстремальна ультрафіолетова (EUV) Літографія штовхає обробку кремнієвих вафель до 2nm вузлів.
Альтернативні матеріали:Поки кремній домінує, такі сполукиГаніSICвикористовуються для високочастотних/потужних ніш.
