Piikiekot valmistetaan yhdestä kiteestä erittäin puhdasta piitä, jossa on tyypillisesti vähemmän kuin yksi miljardiosaa epäpuhtauksia. Czochralskin prosessi on yleisin menetelmä tämän puhtauden suurten kiteiden muodostamiseksi, mikä tarkoittaa siemenkiteen vetämistä sulasta piistä, joka tunnetaan yleisesti sulana. Siemenkiteestä muodostetaan sitten sylinterimäinen harkko, joka tunnetaan nimellä boule.
Elementtejä, kuten booria ja fosforia, voidaan lisätä täytteeseen tarkkoja määriä kiekon sähköisten ominaisuuksien ohjaamiseksi, yleensä tarkoituksena tehdä siitä n- tai p-tyyppinen puolijohde. Sitten petankki leikataan ohuiksi viipaleiksi lankasahalla, joka tunnetaan myös kiekkosahana. Leikatut kiekot voidaan kiillottaa eriasteisesti.
Mihin piikiekkoa käytetään?
Piikiekko on ohut siivu kiteistä piitä, jota käytetään yleisesti elektroniikkateollisuudessa. Piitä käytetään tähän tarkoitukseen, koska se on puolijohde, eli se ei ole vahva sähkönjohdin eikä vahva eriste. Sen luonnollinen runsaus ja muut ominaisuudet tekevät piistä yleensä parempia kuin muut puolijohteet, kuten germanium kiekkojen valmistukseen.
Piikiekkojen yleisimmät mitat riippuvat niiden sovelluksesta. IC:issä käytetyt kiekot ovat pyöreitä, ja niiden halkaisija on tyypillisesti 100-300 millimetriä (mm). Paksuus yleensä kasvaa halkaisijan mukana ja on yleensä välillä 525-775 mikronia (μm). Aurinkokennoissa olevat kiekot ovat yleensä neliömäisiä ja niiden sivujen mitat ovat 100-200 mm. Niiden paksuus on 200-300 μm, vaikka sen odotetaankin standardoituvan 160 μm:iin lähitulevaisuudessa.
Integroidut piirit
IC, joka tunnetaan myös nimellä mikrosiru tai pelkkä siru, on joukko elektronisia piirejä, jotka on asetettu puolijohdemateriaalin substraattiin. Yksikiteinen pii on tällä hetkellä yleisin IC:iden substraatti, vaikka galliumarsenidia käytetään joissakin sovelluksissa, kuten langattomissa viestintälaitteissa. Pii-germanium-seoksesta valmistettuja kiekkoja käytetään myös yleisemmin, tyypillisesti sovelluksissa, joissa pii-germaniumin suurempi nopeus on korkeampien kustannusten arvoinen.
IC:itä käytetään tällä hetkellä useimmissa elektronisissa laitteissa, ja ne ovat käytännössä korvanneet erilliset elektroniset komponentit. Ne ovat suuruusluokkaa pienempiä, nopeampia ja halvempia valmistaa kuin erilliset komponentit. Mikropiirien nopea käyttöönotto elektroniikkateollisuudessa johtuu myös IC:iden modulaarisesta rakenteesta, joka soveltuu helposti massatuotantoon.
Nämä kerrokset kehitetään samalla tavalla kuin tavalliset valokuvat, paitsi että ultraviolettivaloa käytetään näkyvän valon sijasta, koska näkyvän valon aallonpituudet ovat liian suuria luodakseen piirteitä tarvittavalla tarkkuudella. Nykyaikaisten mikropiirien ominaisuudet ovat niin pieniä, että prosessiinsinöörien on käytettävä elektronimikroskooppeja niiden virheenkorjaukseen.
IC valmistus
Automatisoitu testauslaitteisto (ATE) testaa jokaisen kiekon ennen sen käyttämistä IC:n tekemiseen. Prosessi, joka tunnetaan yleisesti nimellä kiekkojen luotaus tai kiekkojen testaus. Sitten kiekko leikataan suorakaiteen muotoisiksi paloiksi, jotka tunnetaan nimellä meisti, ja yhdistetään sitten sähköä johtaviin johtoihin, jotka on yleensä valmistettu kullasta tai alumiinista. Nämä johdot on sidottu tyynyihin, jotka sijaitsevat tyypillisesti suulakkeen reunan ympärillä ultraäänellä prosessissa, jota kutsutaan termosonic-sidokseksi.
Valmistetut laitteet käyvät läpi viimeiset testausvaiheet, joissa käytetään tyypillisesti ATE- ja teollisia tietokonetomografialaitteita (CT). Testauksen suhteellinen hinta vaihtelee suuresti laitteen tuoton, koon ja hinnan mukaan. Testauksen osuus voi esimerkiksi olla yli 25 % halpojen laitteiden kokonaisvalmistuskustannuksista, mutta se voi olla käytännössä olematonta suurille, kalliille laitteille, joilla on alhainen saanto.
Tekniikat
IC:ien valmistus on pitkälle automatisoitu prosessi, joka käyttää monia erityisiä tekniikoita. Nämä ominaisuudet aiheuttavat korkeat tuotantolaitoksen rakentamiskustannukset, jotka voivat ylittää 8 miljardia dollaria vuodesta 2016 lähtien. Näiden kustannusten odotetaan nousevan paljon nopeammin kuin inflaatio, koska automaatiota tarvitaan jatkuvasti.
Suuntaus kohti pienempiä transistoreja jatkuu lähitulevaisuudessa, kun 14 nm on huippuluokkaa vuonna 2016. IC-valmistajien, kuten Intelin, Samsungin, Global Foundriesin ja TSMC:n, odotetaan aloittavan siirtymisen 10 nm:n transistoreihin vuoden 2017 loppuun mennessä. .
Suuret kiekot tarjoavat mittakaavaetua, mikä vähentää IC:iden kokonaiskustannuksia. Suurimmat kaupallisesti saatavilla olevat kiekot ovat halkaisijaltaan 300 mm, ja 450 mm:n odotetaan olevan seuraava maksimikoko. Tämän kokoisten kiekkojen valmistuksessa on kuitenkin edelleen merkittäviä teknisiä haasteita.
Muita IC:ien valmistuksessa käytettyjä tekniikoita ovat kolmiporttitransistorit, joita Intel on valmistanut 22 nm leveinä vuodesta 2011 lähtien. IBM käyttää prosessia, joka tunnetaan nimellä strained Silicon direct on insulator (SSDOI), joka poistaa pii-germaniumkerroksen vohveli.
Kupari korvaa alumiiniset liitännät IC:issä ensisijaisesti suuremman sähkönjohtavuutensa vuoksi. Low-K dielektriset eristeet ja Silicon on Insulators (SOI) ovat myös edistyneitä IC:ien valmistustekniikoita.
Muita puolijohteita koskevia resursseja
Basic Wafer -termit ja -määritelmät
Si-kiekkojen leikkaaminen akselin ulkopuolelta
Happisaostuminen piissä
Lasin ominaisuudet piisovelluksiin liittyen
Opas SEMI-spesifikaatioihin Si-kiekkoille
Piin märkäkemiallinen etsaus ja puhdistus
Aurinkokennot
Aurinkokenno käyttää aurinkosähköilmiötä valoenergian muuntamiseen sähköenergiaksi, mikä yleensä sisältää valon absorption johonkin materiaaliin elektronien virittämiseksi korkeamman energian tilaan. Se on eräänlainen valokenno, laite, joka muuttaa sähköisiä ominaisuuksiaan altistuessaan valolle. Aurinkokennot voivat käyttää valoa mistä tahansa lähteestä, vaikka termi "aurinko" tarkoittaa, että ne tarvitsevat auringonvaloa.
Sähkön tuotanto energialähteenä on yksi tunnetuimmista aurinkokennojen sovelluksista. Tämäntyyppiset aurinkokennot käyttävät valonlähdettä akun lataamiseen, jota voidaan käyttää sähkölaitteen virtalähteenä.
Aurinkokennot on usein integroitu laitteeseen, jota niillä on tarkoitus käyttää. Esimerkiksi rautakaupoissa yleisesti saatavilla olevat aurinkoenergialla toimivat valaisimet käyttävät aurinkokennoja akun lataamiseen päivän aikana. Yöllä akku antaa virtaa liiketunnistimelle, joka sytyttää valon havaitessaan liikettä.
Aurinkokennot voidaan luokitella ensimmäisen, toisen ja kolmannen sukupolven tyyppeihin. Ensimmäisen sukupolven kennot koostuvat kiteisestä piistä, mukaan lukien yksikiteinen pii ja polypii. Ne ovat tällä hetkellä yleisin aurinkokennotyyppi. Toisen sukupolven kennot käyttävät ohutkalvoa, joka koostuu amorfisesta piistä, ja niitä käytetään tyypillisesti kaupallisissa voimalaitoksissa. Kolmannen sukupolven aurinkokennoissa käytetään ohutta kalvoa, joka on kehitetty useilla uusilla teknologioilla, ja niillä on tällä hetkellä rajoitetusti kaupallisia sovelluksia.
Aurinkokennojen valmistus
Suurin osa ensimmäisen sukupolven aurinkokennoista koostuu kiteisestä piistä, vaikka sen rakenteellinen laatu ja puhtaus ovat paljon alhaisemmat kuin IC:issä. Yksikiteinen pii muuntaa valon sähköksi tehokkaammin kuin monikiteinen pii, mutta yksikiteinen pii on myös kalliimpaa.
Kiekot leikataan neliöiksi yksittäisten solujen muodostamiseksi, ja niiden kulmat leikataan sitten kahdeksankulmioiksi. Tämä muoto antaa aurinkopaneeleille niiden erottuvan timanttimaisen ulkonäön. Aurinkopaneelin muodostavat kennot on suunnattava samaan tasoon muunnostehokkuuden maksimoimiseksi. Paneelit on tyypillisesti peitetty lasilevyllä aurinkoon päin olevalta puolelta suojaamaan kiekkoja.
Aurinkokennot voidaan kytkeä sarjaan tai rinnan erityisvaatimuksista riippuen. Kennojen kytkeminen sarjaan lisää niiden jännitettä, kun taas rinnakkaiskytkentä lisää virtaa. Rinnakkaisten merkkijonojen ensisijainen haittapuoli on, että varjoefektit voivat saada varjostetut merkkijonot sammumaan, mikä voi saada valaistut merkkijonot soveltamaan käänteistä esijännitettä varjostettuihin merkkijonoihin. Tämä vaikutus voi johtaa huomattavaan tehon menetykseen ja jopa solujen vaurioitumiseen.
Suositeltu ratkaisu tähän ongelmaan on kytkeä solujonoja sarjaan moduulien muodostamiseksi ja käyttää maksimitehopisteiden seurantalaitteita (MPPT) käsittelemään merkkijonojen tehovaatimuksia toisistaan riippumatta. Moduulit voidaan kuitenkin myös kytkeä toisiinsa muodostamaan ryhmä, jolla on haluttu latausvirta ja huippujännite. Toinen ratkaisu varjoilmiöiden aiheuttamiin ongelmiin on shunttidiodien käyttö tehohäviön vähentämiseksi.
Koon lisäys
Puolijohdeteollisuuden suuntaus kohti suurempia boules on johtanut aurinkokennojen koon kasvuun. 1980-luvulla kehitetyt aurinkopaneelit on tehty halkaisijaltaan 50-100 mm kennoista. 1990- ja 2000-luvuilla valmistetuissa paneeleissa käytettiin tyypillisesti halkaisijaltaan 125 mm:n kiekkoja ja vuodesta 2008 lähtien valmistetuissa paneeleissa on 156 mm kennoja.
Piikiekkojen käyttö
Piikiekkoja käytetään useimmiten integroitujen piirien (IC) substraattina, vaikka ne ovat myös tärkeä komponentti aurinkokennoissa. Näiden kiekkojen perusvalmistusprosessi on sama molemmissa sovelluksissa, vaikka laatuvaatimukset ovat paljon korkeammat IC:issä käytettäville kiekkoille. Näille kiekoille tehdään myös lisävaiheita, kuten ioni-istutus, etsaus ja fotolitografinen kuviointi, joita ei tarvita aurinkokennoissa.