سیلیکون فلزی (فلزی سیلیکون) ، به ویژه در شکل فوق العاده بلند آن (سیلیکون درجه الکترونیکی ، EG-SI) ، سنگ بنای صنعت نیمه هادی است. خواص منحصر به فرد آن تولید دستگاه های الکترونیکی پیشرفته را امکان پذیر می کند. در زیر برنامه های اصلی آن وجود دارد:
1. مدارهای یکپارچه (IC) و میکروچیپ ها
نقش:سیلیکون ماده اصلی ساخت ویفرهای نیمه هادی است.
فرآیند:
Ultra-pure silicon (>99.9999999 ٪ یا 9N خلوص) بهشمشهای سیلیکون مونوکریستالیاز طریقفرآیند Czochralski (CZ)یاروش منطقه شناور (FZ).
شمش ها برای ساخت IC به ویفرهای نازک (به عنوان مثال ، قطر 300 میلی متر) قطعه قطعه می شوند.
اجزای کلیدی:
ترانزیستورها:ویفرهای سیلیکون با عناصری مانند بور (از نوع P) یا فسفر (نوع N) برای ایجاد ترانزیستور دوپ شده اند.
ریز پردازنده ها:میلیاردها ترانزیستور برای محاسبات در تراشه ها (به عنوان مثال ، CPU ، GPU) ادغام می شوند.
2. دستگاه های نیمه هادی قدرت
دستگاه های قدرت مبتنی بر سیلیکون:
دیودها ، موزها ، IGBTS:در الکترونیک برق برای تبدیل انرژی استفاده می شود (به عنوان مثال ، اینورترها ، درایوهای حرکتی).
تریستورها:کنترل برنامه های با قدرت بالا در سیستم های صنعتی.
مزیت:Bandgap Silicon (1.1 ولت) راندمان و هزینه کاربردهای ولتاژ متوسط را متعادل می کند.
3. تراشه های حافظه
DRAM (حافظه دسترسی تصادفی پویا):داده ها را به طور موقت با استفاده از خازن ها و ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون ذخیره می کند.
حافظه فلش NAND:ذخیره سازی غیر فرار در SSD ها ، درایوهای USB و دستگاه های تلفن همراه.
فن آوری های نوظهور:
3D NAND:برای افزایش چگالی ذخیره ، لایه های سیلیکون را به صورت عمودی پشته می کند.
4. سلولهای خورشیدی (Photovoltaics)
سیلیکون درجه خورشیدی (SOG-SI):
ویفرهای سیلیکون پلی کریستالی یا مونوکریستالی نور خورشید را به برق تبدیل می کنند.
کارآیی: Monocrystalline silicon cells achieve >راندمان 22 ٪.
فرآیند:
سیلیکون متالورژی به خلوص 6N -7N خالص می شود ، سپس به شمش ها متبلور می شود و به سلولهای خورشیدی خرد می شود.
5. سنسورها و ممترها
سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS):
ثبات مکانیکی سیلیکون و سازگاری با فرآیندهای IC سنسورهای مینیاتوری شده را فعال می کنند (به عنوان مثال ، شتاب سنج ، ژیروسکوپ ها).
سنسورهای نوری:فوتودیودهای سیلیکون نور را در دوربین ها و سیستم های لیدر تشخیص می دهند.
6. دستگاه نوری
دیودهای تابش نور (LED):از بسترهای سیلیکون برای برخی از LED های مادون قرمز استفاده می شود.
Photodetectors:دستگاه های مبتنی بر سیلیکون نور را در ارتباطات فیبر نوری تشخیص می دهند.
7. فن آوری های ساخت ویفر
سنگ نگاری:ویفرهای سیلیکونی با استفاده از UV یا EUV Light برای ایجاد مدارهای در مقیاس نانومتر الگوی می شوند.
اچ و رسوب:دی اکسید سیلیکون (Sio₂) و نیترید سیلیکون (SI₃N₄) به عنوان عایق یا ماسک استفاده می شود.
8. بسته بندی پیشرفته
از طریق سیلیکون ویاس (TSVS):انباشت تراشه سه بعدی را برای محاسبات با کارایی بالا فعال کنید.
Interposers سیلیکون:چندین تراشه را در بسته بندی های پیشرفته (به عنوان مثال ، پردازنده های Ryzen AMD) وصل کنید.
خواص کلیدی رانندگی از نیمه هادی استفاده می کند
نیمه هادی:دوپینگ سیلیکون رفتار الکتریکی آن را کنترل می کند (نوع P/N).
ثبات حرارتی:در برابر پردازش درجه حرارت بالا مقاومت می کند (به عنوان مثال ، اکسیداسیون ، انتشار).
ساختار کریستالی:شبکه مکعب الماس امکان مهندسی دقیق سطح اتمی را فراهم می کند.
فراوانی:سیلیکون دومین عنصر فراوان در پوسته زمین است که از مقرون به صرفه بودن اطمینان حاصل می کند.
چالش ها و نوآوری ها
الزامات خلوص:از بین بردن بور (B) و فسفر (P) به سطح زیر PPB برای قابلیت اطمینان دستگاه بسیار مهم است.
مینیاتوریزاسیون:لیتوگرافی ماوراء بنفش شدید (EUV) پردازش ویفر سیلیکون را به گره های 2NM سوق می دهد.
مواد جایگزین:در حالی که سیلیکون حاکم است ، ترکیباتی مانندگانوتباکرهبرای سوله های با فرکانس بالا/با قدرت بالا استفاده می شود.
