Ποιες πρώτες ύλες χρησιμοποιούνται στα chips ημιαγωγών;

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη πρώτη ύλη για την κατασκευή chip υπολογιστών είναι το πυρίτιο. Αυτός ο φυσικός ημιαγωγός -ο οποίος βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στην άμμο των παραλιών- είναι αποτελεσματικός για την κατασκευή transistor. Η εισαγωγή ελαττωμάτων στη δομή του πυριτίου μπορεί να του προσδώσει νέες ηλεκτρικές ιδιότητες, καθιστώντας το ακόμη πιο χρήσιμο για την κατασκευή microchip.

Η βάση ενός microchip είναι γκοφρέτες (wafers) πυριτίου. Στο πρώτο στάδιο, οι κατασκευαστές microchip καθαρίζουν, λιώνουν και ψύχουν το πυρίτιο σε μορφή ράβδων. Στη συνέχεια κόβουν τις ράβδους σε πολύ λεπτά στρώματα, τα οποία υφίστανται καθαρισμό και λείανση. Ακολούθως, τα στρώματα πυριτίου υποβάλλονται σε φωτολιθογραφία για να αποτυπωθούν πάνω τους δομές κυκλωμάτων. Η εμφύτευση ιόντων μεταβάλλει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πυριτίου, ενώ η χάραξη με τη χρήση οξέων (etching) εξαλείφει την περίσσεια υλικού. Το επόμενο βήμα είναι η εφαρμογή μεταλλικών κυκλωμάτων -συνήθως κατασκευασμένα από αλουμίνιο και χαλκό- στο στρώμα πυριτίου. Το 12% της δυναμικότητας παραγωγής ημιαγωγών παγκοσμίως κατέχουν οι ΗΠΑ, καθιστώντας το πυρίτιο πολύτιμο πόρο για τη χώρα.

Ένας άλλος ημιαγωγός με πολλές χρήσεις σε chip υπολογιστών είναι το γερμάνιο. Είναι ζωτικής σημασίας για την κατασκευή ηλιακών κυψελών, καλωδίων οπτικών ινών, αισθητήρων δορυφορικών εικόνων και εξοπλισμού στρατιωτικών εφαρμογών, όπως γυαλιά νυχτερινής όρασης.

Τα μεταλλεύματα γερμανίου είναι σπάνια. Η πλειονότητα του γερμανίου προέρχεται από την ιπτάμενη τέφρα άνθρακα ή ως υποπροϊόν της επεξεργασίας ψευδαργύρου. Σύμφωνα με την Critical Raw Materials Alliance (CRMA), η Κίνα παράγει περίπου το 60% της παγκόσμιας προμήθειας γερμανίου, εξάγοντας 43,7 μετρικούς τόνους υλικού το 2022. Η Φινλανδία, η Ρωσία, ο Καναδάς και οι Ηνωμένες Πολιτείες, προμηθεύουν το υπόλοιπο.

Το γάλλιο βρίσκεται σε πολύ μικρές ποσότητες σε μεταλλεύματα βωξίτη και ψευδαργύρου. Το αρσενίδιο του γαλλίου χρησιμοποιείται κυρίως σε ηλεκτρονικά chip, βαρόμετρα, θερμόμετρα και ορισμένα φαρμακευτικά προϊόντα. Η επεξεργασία του βωξίτη για την παραγωγή αλουμινίου μπορεί να παρέχει μεταλλικό γάλλιο. Μόνο μία εταιρεία στην Ευρώπη παράγει αρσενίδιο του γαλλίου με την απαιτούμενη καθαρότητα, με την Κίνα και την Ιαπωνία να παράγουν το υπόλοιπο. Η Ιαπωνία, η Ρωσία και η Νότια Κορέα παράγουν μικρές ποσότητες πρωτογενούς γαλλίου.

Οι γκοφρέτες ημιαγωγών που περιέχουν αρσενίδιο του γαλλίου είναι πιο ανθεκτικές στη θερμότητα και μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλότερες συχνότητες από αυτές που είναι κατασκευασμένες από πυρίτιο. Αυτοί οι ημιαγωγοί είναι επίσης πιο αθόρυβοι από τα chip ημιαγωγών πυριτίου, ειδικά σε υψηλές συχνότητες λειτουργίας, γεγονός που τους καθιστά χρήσιμους για δορυφόρους, LED, ραντάρ και συσκευές ραδιοεπικοινωνίας.

Αυτός ο ημιαγωγός έχει μεγάλη χωρητικότητα και χαμηλή πυκνότητα ρεύματος, χαρακτηριστικά που τον καθιστούν δημοφιλή για τη δημιουργία μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων, όπως επίσης σε διόδους λέιζερ και φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα στον τομέα των οπτικών τηλεπικοινωνιών.

Το φωσφίδιο του ινδίου είναι μια δυαδική ένωση φωσφόρου και ινδίου. Το φωσφίδιο του ινδίου έχει κυβική κρυσταλλική δομή, παρόμοια με το αρσενίδιο του γαλλίου, παρέχοντας ένα εξαιρετικό υπόστρωμα για οπτοηλεκτρονικές συσκευές και είναι ένα κοινό συστατικό των ημιαγωγών τύπου III-V. Η ένωση δεν περιέχει κάποιο μέταλλο, κάτι που είναι ασυνήθιστο μεταξύ των ημιαγωγών τύπου III-V. Επίσης, επειδή είναι πολύ ευαίσθητο στην ακτινοβολία, είναι μια εξαιρετική επιλογή για την κατασκευή ηλεκτρονικών για φωτοβολταϊκά, για παράδειγμα στα ηλιακά κύτταρα. 

Ένα μειονέκτημα του φωσφιδίου του ινδίου είναι το κόστος του και το γεγονός ότι δεν μπορεί να παραχθεί μαζικά, συνεπώς, η εύρεση κατάλληλου προμηθευτή μπορεί να είναι δύσκολη. Οι κατασκευαστές μπορούν να δημιουργήσουν το υλικό μέσω της αντίδρασης ιωδιούχου ινδίου και λευκού φωσφόρου σε υψηλές θερμοκρασίες. Ένας άλλος τρόπος για να παραχθεί, είναι ο συνδυασμός υψηλής καθαρότητας συνιστώντων στοιχείων σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση. Ένας τρίτος τρόπος για την παραγωγή φωσφιδίου του ινδίου είναι η αποσύνθεση ενός μίγματος phosphine με μια ένωση trialkyl indium.

Η κατασκευή ημιαγωγών τύπου p και τύπου n απαιτεί την προσθήκη προσμίξεων στον κρύσταλλο πυριτίου για να τροποποιηθούν οι ηλεκτρικές του ιδιότητες, μια διαδικασία που ονομάζεται doping. Οι ημιαγωγοί τύπου p έχουν περίσσεια οπών. Οι ημιαγωγοί τύπου n έχουν περίσσεια ηλεκτρονίων. Μαζί, μπορούν να σχηματίσουν μια διασταύρωση p-n (p-n junction), τη βάση λειτουργίας για πολλούς τύπους ημιαγωγών. Μια πρόσμιξη, δηλαδή ένα δευτερεύον στοιχείο ή ουσία που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των ελαττωμάτων στη δομή των ημιαγωγών, διαθέτει τρία ή πέντε ηλεκτρόνια σθένους. Δύο συνήθεις τύποι προσμίξεων είναι το βόριο και ο φώσφορος.

Βόριο

Το βόριο - ένα γυαλιστερό μεταλλοειδές - είναι κρίσιμο για την κατασκευή chip υπολογιστών. Η κύρια χρήση του είναι να συνδέει διαφορετικά υλικά μεταξύ τους, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα τους. Μπορεί επίσης να κάνει τους μονωτές να είναι πιο αγώγιμοι. Η Τουρκία είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός βορίου. Το βόριο βελτιώνει τη διηλεκτρική αντοχή των πολυμερών, τα οποία αποτελούν μέρος της στεγανοποίησης, των πυκνωτών και των μονωτικών στρωμάτων στα σύρματα. Οι ενισχυτές ινών με πρόσμιξη βορίου επιτρέπουν καλύτερη μετάδοση σήματος στα συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών. Το βόριο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ελαττωμάτων δομής στους ημιαγωγούς που περιέχουν κυρίως πυρίτιο και γερμάνιο.

Φώσφορος

Ένα άτομο φωσφόρου λειτουργεί ως πρόσμιξη, καταλαμβάνοντας το ίδιο σημείο στην κρυσταλλική δομή που κατείχε παλαιότερα ένα άτομο πυριτίου. Τέσσερα από τα ηλεκτρόνια του σθένους αντικαθιστούν τέσσερα ηλεκτρόνια σθένους πυριτίου, ενώ το πέμπτο παραμένει ελεύθερο, χωρίς δεσμούς με άλλα ηλεκτρόνια. Η αντικατάσταση πολλών ατόμων πυριτίου με φώσφορο ελευθερώνει πολλά ηλεκτρόνια που μπορούν να κινηθούν μέσα στον κρύσταλλο.

Ο πιο συνηθισμένος τρόπος για τη δημιουργία προσμίξεων σε έναν ημιαγωγό ενός microchip είναι η επικάλυψη του πάνω μέρος ενός στρώματος πυριτίου με φώσφορο και στη συνέχεια η θέρμανση της επιφάνειας του στρώματος. Με αυτή τη διαδικασία, ο φώσφορος διαχέεται στο πυρίτιο. Στη συνέχεια, οι κατασκευαστές χαμηλώνουν τη θερμοκρασία έτσι ώστε να σταματήσει η διάχυση. Άλλοι τρόποι για την εισαγωγή φωσφόρου στο πυρίτιο περιλαμβάνουν διεργασίες υγρού ψεκασμού, διάχυση αέριας φάσης και διοχέτευση ατόμων φωσφόρου απευθείας στην επιφάνεια του πυριτίου.

Με πληροφορίες από revolutionized.com 

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR