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    从沙子到晶体管

    发布者:深铭易购     发布时间:2019-04-28    浏览量:104

    沙?熟悉和奇怪。晶体管?不熟悉和熟悉。

    沙子是什么?

    晶体管4.281.png


    沙主要是细矿物和岩石风化的产物,主要由石英SiO 2组成。生产硅的原材料。

    什么是晶体管?

    晶体管是固态半导体器件,具有检测、整流、放大、开关、电压稳定、信号调制等多种功能。严格来说,晶体管是指所有基于半导体材料的单一元件,包括由各种半导体材料制成的二极管、三极、场效应管、硅可控等。有时也指三极体。

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    本文以最基本的PN结为例,对其组成和结构、工作原理、生产和加工作了简要介绍,是一门热门的科学。

    首先,我们必须从19世纪开始。实在早在1848年,美国德律风公司AT&T贝尔研究所的肖克莱、巴丁、布莱顿三人就曾经发了然晶体管。当时的晶体管是竖立在坩埚基板上的针,因此很容易被宏观或微观振动损坏。此时,爱迪生真空管作为电子电路放大器逐渐显示出体积大、产热高、故障率高等缺点。随着科学技术的进步,人们迫切需要技术创新。

    在大量的物理化学理论和技术进步下,硅的弟弟:硅挺身而出,为人们带来了信息。从那时起,人类进入了“硅时代”。

    那么,让我们来说,为什么硅站起来。

    让我们来看一下物质传导的微观世界:

    物质中的电流是其内部自由电子在电场作用下的直接运动,自由电子是形成电流的关键。这是由原子的电子结构决定的。在一组原子中,如果它们的能级相同,则能级将相互作用以扩展为一个带。如果原子的外层充满电子,那么它就越稳定。外部电子难以被激发并转变为更高的能带。

    此外,我们可以知道,组成物质的原子外层的电子数越少,物质的导电性越好。电子所占据的外层称为价带,电子跃迁后的能带称为导带,电子难以通过的量子禁带称为禁带。

    在另一个方向,物质的导电性是由禁令的宽度和缩窄决定的。电场在这里有两个功能:为电子跃迁提供能量;为电子定向运动提供驱动力。

    在元素周期表中,从左到右有增加的趋势。左侧大多是金属,价带和导带在同一能带内,不需要消耗能量就能使电子跃迁产生电流,称为导体。正确的原子带隙很宽,跃迁能太大,导带太窄,只要跃迁所达到的能量可以电离导带上的电子,但不能形成电流,就叫绝缘体。中间元素的原子是半导体。

    电子跃迁后,形成空穴,电子在导电带中连续运动。这种积累使得半导体看起来像空穴一样形成电流,实际上,导电带和空穴都有电流。

    当然,只有硅不够,导电率会很低。因此,已经将少量“伙伴”元素(例如As,P或B,Ga等)添加到硅中以分别形成n型半导体和p型半导体。 n型半导体的“伴随”元素的价电子数大于4,在单晶硅中形成的金刚石结构中形成电子,使得整体处于富电子状态。相反,p型半导体整体上缺乏电子态。将两者组合在一起形成PN结,其是二极管。

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    可以说,PN结是所有电子技术的物质基础。不接电源时产生电场,接电源时显示低压单导。具体原则如下:

    两个npn和pnp晶体管也可以由两个连续的pn结产生。通过一些电路的设计可以完成电子技术的工作。

    北京时间2010年,澳大利亚新南威尔士大学量子计算机技术中心和美国威斯康星-麦迪逊大学的联合研究小组成功地研制出了世界上最小的晶体管,由单晶体中的七个原子组成。硅表面的“量子点”,这不仅可以用来调节和控制商业晶体管等器件的电流,而且标志着朝着原子尺度小型化和超高速、超强大计算机的新时代迈出了重要的一步。

    然而,这一切都是基于单晶硅及其二次加工技术。单晶硅是硅的单晶,具有基本完整的晶格结构。纯度要求为99.9999%,甚至超过99.9999999%。根据晶体生长方法的不同,单晶硅可分为直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。用提拉法和区域熔融法生长了单晶硅棒,用外延方法生长了单晶硅薄膜。以高纯硅为原料,用提拉法拉长棒状单晶硅制成的单晶硅片,主要用于半导体集成电路中。

    单晶硅的制造方法如下:

    喂入熔化颈生长肩生长等径生长尾生长

    (1)添加:多晶硅原料和杂质放在石英熔炉中。杂质的类型取决于电阻n或p的类型。

    (2)熔炼:将多晶硅原料加入石英罐后,将长结晶炉关闭并抽真空,然后用高纯氩气填充,保持一定的压力范围,然后打开石墨加热器电源,加热到熔化温度(1420℃)以上,熔化多晶硅原料。

    (3)颈缩生长:当硅熔体温度稳定时,种子缓慢浸入硅熔体中。由于晶种与硅熔体接触时的热应力,晶种会产生位错,而位错必须通过颈缩生长来消除。颈缩生长就是将种子颗粒迅速向上抬高,使所生长的种子晶体的直径减小到一定的尺寸(4-6 mm)。由于位错线与生长轴相交,只要颈颈足够长,位错就会从晶体表面生长出来。一种能产生零位错的晶体。

    (4)肩部生长:颈部伸长后,降低温度和拉速,使晶体直径逐渐增大到所需尺寸。

    (5)等径生长:细颈和肩部伸长后,通过不断调整拉拔速度和温度,使杆的直径保持在正负2 mm之间。直径的固定部分称为等直径部分。单晶硅晶片取自等直径部分。

    (6)尾部生长:在等直径部分的长度之后,晶体棒的直径慢慢减小,直到成为一个尖点,并与液面分离。

    长的晶体棒被抬到上面的腔室冷却一段时间,在它被移除之前,也就是说,一个生长周期完成。

    当然,晶体管在这一阶段的最终目标是形成集成电路,这意味着人们必须在一个指甲大小的单晶硅衬底上建造数十亿个晶体管。具体的处理过程太复杂,而且部分内容是保密的,编辑人员不会在此重复。

    总之,今天是硅的时代,硅可以说是世界的主宰,我们使用的电子设备,如你手中的这一刻,都使用硅基半导体材料。然而,世界一直在发展,从陶器到青铜钢到硅。新材料的出现将取代以前材料在社会中的地位,并引领人类前进。从第一个Ge晶体管到Si,沿周期表继续向上,是C.Carbon C,不仅是统治者化学世界的一半:有机物质,而且是21世纪新材料之王:成分石墨烯的元素。无论石墨烯时代是否会到来,我们必须认识到硅晶体管在小尺寸方面已达到量子点甚至单原子尺度的事实,这可能意味着某种限制?

    (单晶/多晶硅片价格趋势图)

    晶体管4.281111.png

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    最后,请向那些在科研岗位上奋斗的人们致敬!



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