I 5 principali motivi per l'utilizzo del silicio nell'elettronica come materiale semiconduttore

I 5 principali motivi per l'utilizzo del silicio nell'elettronica come materiale semiconduttore

Con il termine 'elettronica' ci sono molte cose che puoi associare, specialmente il componenti per circuiti elettronici come transistor, diodi, circuiti integrati e così via. Se sei completamente a conoscenza di questi componenti, devi essere consapevole degli usi prevalenti del silicio anche nella produzione di questi componenti.



Usi del silicio

Usi del silicio

Cos'è il silicio?

Il silicio è un materiale semiconduttore con un numero atomico di 14, situato nel gruppo 4 della tavola periodica. Il silicio amorfo puro fu preparato per la prima volta da Jones Jacob Berzelius nel 1824, mentre il silicio cristallino fu preparato per la prima volta da Henry Etienne nel 1854.






Cosa sono i semiconduttori?

I semiconduttori non sono altro che materiali con proprietà isolanti in forma pura e proprietà conduttive quando drogati o aggiunti con impurità. I semiconduttori di solito hanno un intervallo di banda (energia richiesta agli elettroni per liberarsi dal legame covalente) tra gli isolanti (intervallo di banda massimo) e conduttori (intervallo di banda minimo). La conduzione o flusso di carica nei semiconduttori è dovuta al movimento di elettroni liberi o lacune.

Se hai familiarità con la tavola periodica, devi essere a conoscenza dei gruppi in una tavola periodica. I materiali semiconduttori sono solitamente presenti nel gruppo 4 della tavola periodica o sono anche presenti come una combinazione del gruppo 3 e del gruppo 6, o anche come una combinazione del gruppo 2 e del gruppo 4. I semiconduttori più utilizzati sono il silicio, il germanio e il gallio-arseniuro.



Quindi, cosa rende il silicio il materiale semiconduttore più preferito nell'elettronica?

I seguenti sono i principali motivi:


1. Abbondanza di silicio

Il motivo principale e più importante per la popolarità del silicio come materiale di scelta è la sua abbondanza. Successivamente, in linea con l'ossigeno che è circa il 46% nella crosta terrestre, il silicio forma circa il 28% della crosta terrestre. È ampiamente disponibile sotto forma di sabbia (silice) e quarzo.

Abbondanza di silicio in natura

Abbondanza di silicio in natura

2. Produzione di silicio

I wafer di silicio utilizzati per la produzione di circuiti integrati e componenti elettronici sono prodotti utilizzando tecniche efficaci ed economiche. Il silicio puro o poli silicio si ottiene con i seguenti passaggi:

  • Il quarzo è fatto per reagire con il coke per produrre silicio metallurgico in un forno elettrico.
  • Il metallurgico il silicio viene quindi convertito al triclorosilano (TCS) in reattori a letto fluido.
  • Successivamente, il TCS viene purificato mediante distillazione e quindi decomposto in filamenti di silicio caldi in un reattore, insieme all'idrogeno. Infine, la risultante è un'asta di poli-silicio.

L'asta di poli-silicio viene quindi cristallizzata utilizzando il metodo Czochralski per ottenere cristalli o lingotti di silicio. Questi lingotti vengono infine tagliati in wafer utilizzando metodi di taglio ID o taglio a filo.

Produzione di silicio

Produzione di silicio

Tutti i processi di cui sopra facilitano il raggiungimento del diametro, orientamento, conducibilità, concentrazione di drogaggio e concentrazione di ossigeno richiesti per la produzione di wafer di silicio.

3. Proprietà chimiche

Le proprietà chimiche si riferiscono a quelle proprietà rispetto alle quali è definita la reazione dei materiali con gli altri. Le proprietà chimiche dipendono direttamente dalla struttura atomica dell'elemento. Il silicio cristallino utilizzato principalmente nell'elettronica, è costituito da una struttura simile al diamante. Ogni cella unitaria è composta da 8 atomi in a reticolo bravais preparativi. Ciò rende il silicio puro altamente stabile a temperatura ambiente rispetto ad altri materiali come il germanio.
Pertanto, il silicio puro è meno influenzato da acqua, acido o vapore. Inoltre, a temperature più elevate in uno stato fuso, il silicio forma facilmente ossidi e nitruri e persino leghe.

4. Struttura in silicio

Le proprietà fisiche del silicio contribuiscono anche alla sua popolarità e al suo utilizzo come materiale semiconduttore.

Struttura in silicone

Struttura in silicone

  • Il silicio possiede un intervallo di banda di energia moderato di 1,12eV a 0 K. Ciò rende il silicio un elemento stabile rispetto al germanio e riduce la possibilità di corrente di dispersione. La corrente inversa è in nano-ampere ed è molto bassa.
  • La struttura cristallina del silicio è costituita da una struttura reticolare cubica centrata sulla faccia con una densità di impaccamento del 34%. Ciò consente una facile sostituzione degli atomi di impurità nei punti vuoti del reticolo. In altre parole, la concentrazione di doping è piuttosto alta, circa 10 ^ 21 atomi / cm ^ 3.

Ciò aumenta anche la possibilità di aggiungere impurità come l'ossigeno come atomi interstiziali all'interno del reticolo cristallino. Ciò fornisce una forte resistenza meccanica ai wafer contro diversi tipi di sollecitazioni come termica, meccanica o gravitazionale.

  • La tensione diretta per i diodi al silicio è di 0,7 V, che è maggiore se confrontata con i diodi al germanio. Questo li rende più stabili e migliora gli usi del silicio come raddrizzatori.

5. Biossido di silicio

L'ultima ma non meno importante ragione dell'enorme popolarità del silicio è la facilità con cui forma gli ossidi. Il biossido di silicio è l'isolante più utilizzato nella tecnologia IC grazie alla sua natura chimica estremamente stabile rispetto ad altri ossidi come il germanio, che è solubile in acqua e si decompone a una temperatura di 800 gradi Celsius.

Biossido di silicio

Biossido di silicio

Il biossido di silicio può essere coltivato termicamente utilizzando ossigeno su wafer di silicio a temperature più elevate o depositato utilizzando silano e ossigeno.

Il biossido di silicio viene utilizzato:

  • Nelle tecniche di fabbricazione di circuiti integrati come incisione, diffusione, impianto ionico, ecc.
  • In Dielettrici per i dispositivi elettronici.
  • Come strato ultrasottile per dispositivi MOS e CMOS. Ciò ha infatti aumentato l'ampia popolarità dei dispositivi CMOS con un'elevata impedenza di ingresso.
  • Nei dispositivi 3D in Tecnologia MEM .

Quindi, queste sono le ragioni principali per il crescente utilizzo del silicio nell'elettronica. Ci auguriamo che ormai abbiate una chiara comprensione e un ragionamento appropriato sul motivo per cui il silicio viene utilizzato come materiale semiconduttore per lo sviluppo di progetti basati sull'elettronica. Ecco una domanda semplice ma intrigante per te: perché il silicio non viene utilizzato nei LED e nei fotodiodi?

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