Les hòsties de silici estan fetes d'un únic cristall de silici altament pur, normalment amb menys d'una part per mil milions de contaminants. El procés Czochralski és el mètode més comú per formar grans cristalls d'aquesta puresa, que consisteix a treure un cristall de llavors del silici fos, conegut comunament com a fosa. A continuació, el cristall de llavors es converteix en un lingot cilíndric conegut com a boule.
Elements com el bor i el fòsfor es poden afegir a la bola en quantitats precises per controlar les propietats elèctriques de l'hòstia, generalment amb la finalitat de convertir-la en un semiconductor de tipus n o p. A continuació, la bola es talla en rodanxes fines amb una serra de filferro també coneguda com a serra d'hòsties. Les hòsties tallades es poden polir en diferents graus.
Per a què serveix una hòstia de silici?
Una hòstia de silici és una llesca fina de silici cristal·lí que s'utilitza habitualment a la indústria electrònica. El silici s'utilitza per a aquest propòsit perquè és un semiconductor, és a dir, no és ni un conductor fort ni un fort aïllant de l'electricitat. La seva abundància natural i altres propietats generalment fan que el silici sigui preferible a altres semiconductors com el germani per fer hòsties.
Les dimensions més habituals de les hòsties de silici depenen de la seva aplicació. Les hòsties utilitzades en els circuits integrats són rodones amb diàmetres que normalment oscil·len entre 100 i 300 mil·límetres (mm). El gruix generalment augmenta amb el diàmetre i sol estar en el rang de 525 a 775 micres (μm). Les hòsties de les cèl·lules solars solen ser quadrades amb costats de 100 a 200 mm. El seu gruix és d'entre 200 i 300 μm, tot i que s'espera que s'estandarditzi a 160 μm en un futur proper.
Circuits integrats
Un IC, també conegut com a microxip o simplement xip, és un conjunt de circuits electrònics situats en un substrat de material semiconductor. El silici monocristal·lí és actualment el substrat més comú per als circuits integrats, tot i que l'arsenur de gal·li s'utilitza en algunes aplicacions com els dispositius de comunicació sense fil. Les hòsties fetes d'aliatges de silici-germani també s'estan utilitzant més àmpliament, normalment en aplicacions on la major velocitat de silici-germani val la pena el cost més elevat.
Els circuits integrats s'utilitzen actualment a la majoria de dispositius electrònics, ja que pràcticament han substituït components electrònics separats. Són més petits, més ràpids i més barats de fabricar que els components discrets per ordres de magnitud. La ràpida adopció dels circuits integrats a la indústria electrònica també es deu al disseny modular dels circuits integrats, que es presta fàcilment a la producció en massa.
Aquestes capes es desenvolupen de manera similar a les fotografies normals, excepte que s'utilitza llum ultraviolada en lloc de llum visible, ja que les longituds d'ona de la llum visible són massa grans per crear característiques amb la precisió necessària. Les característiques dels circuits integrats moderns són tan petites que els enginyers de processos han d'utilitzar microscopis electrònics per depurar-les.
Fabricació d'IC
L'equip de prova automatitzat (ATE) prova cada hòstia abans d'utilitzar-la per fer un IC, un procés, comunament conegut com a sondeig d'hòsties o prova d'hòsties. A continuació, l'hòstia es talla en peces rectangulars conegudes com a matrius i després es connecta a un paquet electrònic mitjançant cables elèctricament conductors, que solen estar fets d'or o d'alumini. Aquests cables s'uneixen a coixinets que normalment es troben al voltant de la vora de la matriu mitjançant ultrasons en un procés anomenat enllaç termosònic.
Els dispositius resultants se sotmeten a les fases finals de prova, que normalment utilitzen ATE i equips d'exploració de tomografia computada industrial (TC). El cost relatiu de les proves varia molt segons el rendiment, la mida i el cost del dispositiu. Per exemple, les proves poden representar més del 25% dels costos totals de fabricació de dispositius barats, però pot ser pràcticament insignificant per a dispositius grans i cars amb baix rendiment.
Tècniques
La fabricació de circuits integrats és un procés altament automatitzat que utilitza moltes tècniques específiques. Aquestes capacitats impulsen l'elevat cost de la construcció d'una instal·lació de fabricació, que pot superar els 8.000 milions de dòlars a partir del 2016. S'espera que aquest cost augmenti molt més ràpidament que la inflació a causa de la necessitat contínua d'una major automatització.
La tendència cap als transistors més petits continuarà en el futur previsible, amb 14 nm com a estat de l'art el 2016. S'espera que fabricants de circuits integrats com Intel, Samsung, Global Foundries i TSMC comencin la transició als transistors de 10 nm a finals de 2017. .
Les hòsties grans proporcionen una economia d'escala, que redueix el cost total dels circuits integrats. Les hòsties més grans disponibles comercialment són de 300 mm de diàmetre, i s'espera que 450 mm siguin la següent mida màxima. No obstant això, encara existeixen reptes tècnics importants per fer hòsties d'aquesta mida.
Tècniques addicionals utilitzades en la fabricació de circuits integrats inclouen transistors de tres portes, que Intel fabrica amb una amplada de 22 nm des del 2011. IBM utilitza un procés conegut com a silici tensat directament a l'aïllant (SSDOI), que elimina la capa de silici-germani de una hòstia.
El coure està substituint les interconnexions d'alumini als circuits integrats, principalment a causa de la seva major conductivitat elèctrica. Els aïllants dielèctrics de baix K i els aïllants de silici (SOI) també són tècniques de fabricació avançades per a circuits integrats.
Altres recursos sobre els semiconductors
Termes i definicions bàsiques de les hòsties
Tall d'hòsties de Si fora de l'eix
Precipitació d'oxigen en silici
Propietats del vidre relacionades amb aplicacions amb silici
Una guia per a les especificacions SEMI per a hòsties de Si
Gravat químic humit i neteja de silici
Cèl·lules solars
Una cèl·lula solar utilitza l'efecte fotovoltaic per convertir l'energia lluminosa en energia elèctrica, que generalment implica l'absorció de llum per part d'algun material per excitar els electrons a un estat d'energia superior. És un tipus de cèl·lula fotoelèctrica, un dispositiu que canvia les seves característiques elèctriques quan s'exposa a la llum. Les cèl·lules solars poden utilitzar llum de qualsevol font, tot i que el terme "solar" implica que requereixen llum solar.
La generació d'electricitat com a font d'energia és una de les aplicacions més conegudes de les cèl·lules solars. Aquest tipus de cèl·lules solars utilitzen una font de llum per carregar una bateria, que es pot utilitzar per alimentar un dispositiu elèctric.
Les cèl·lules solars sovint s'integren al dispositiu que estan destinats a alimentar. Per exemple, els llums d'energia solar disponibles habitualment a les botigues de millores per a la llar utilitzen cèl·lules solars per carregar una bateria durant el dia. A la nit, la bateria alimenta un sensor de moviment que encén la llum quan detecta moviment.
Les cèl·lules solars es poden classificar en tipus de primera, segona i tercera generació. Les cèl·lules de primera generació estan compostes de silici cristal·lí, incloent silici monocristal·lí i polisilici. Actualment són el tipus més comú de cèl·lules solars. Les cèl·lules de segona generació utilitzen una pel·lícula fina composta de silici amorf i s'utilitzen normalment en centrals elèctriques comercials. Les cèl·lules solars de tercera generació utilitzen pel·lícules primes desenvolupades amb una varietat de tecnologies emergents i actualment tenen aplicacions comercials limitades.
Fabricació de cèl·lules solars
La gran majoria d'una cèl·lula solar de primera generació està composta de silici cristal·lí, tot i que la seva qualitat estructural i puresa són molt inferiors a les que s'utilitzen en els circuits integrats. El silici monocristal·lí converteix la llum en electricitat de manera més eficient que el polisilici, però el silici monocristal·lí també és més car.
Les hòsties es tallen en quadrats per formar cèl·lules individuals, i les seves cantonades es tallen per formar octògons. Aquesta forma dóna als panells solars el seu aspecte característic de diamant. Les cèl·lules que formen un panell solar han d'estar totes orientades al llarg del mateix pla per maximitzar l'eficiència de conversió. Els panells solen estar coberts amb una làmina de vidre al costat que mira al sol per protegir les hòsties.
Les cèl·lules solars es poden connectar en sèrie o en paral·lel, depenent dels requisits específics. Connectar les cel·les en sèrie augmenta la seva tensió mentre que connectar-les en paral·lel augmenta el corrent. El principal desavantatge de les cadenes paral·leles és que els efectes d'ombra poden fer que les cadenes ombrejades s'apaquin, cosa que pot provocar que les cadenes il·luminades apliquin un biaix invers a les cadenes ombrejades. Aquest efecte pot provocar una pèrdua substancial de potència i fins i tot danys a les cèl·lules.
La solució preferida a aquest problema és connectar cadenes de cèl·lules en sèrie per formar mòduls i utilitzar seguidors de màxima potència (MPPT) per gestionar els requisits d'alimentació de les cadenes independentment les unes de les altres. Tanmateix, els mòduls també es poden interconnectar per formar una matriu amb el corrent de càrrega i la tensió màxima desitjades. Una altra solució als problemes causats pels efectes d'ombra és l'ús de díodes de derivació per reduir la pèrdua de potència.
Augment de mida
La tendència cap a boles més grans a la indústria dels semiconductors ha donat lloc a un augment de la mida de les cèl·lules solars. Les plaques solars desenvolupades a la dècada de 1980 estan fetes de cèl·lules amb un diàmetre entre 50 i 100 mm. Els panells fabricats durant les dècades de 1990 i 2000 solen utilitzar hòsties amb un diàmetre de 125 mm, i els panells fabricats des del 2008 tenen cel·les de 156 mm.
L'ús de les hòsties de silici
Les hòsties de silici s'utilitzen amb més freqüència com a substrat per a circuits integrats (CI), tot i que també són un component important a les cèl·lules fotovoltaiques o solars. El procés bàsic de fabricació d'aquestes hòsties és el mateix per a ambdues aplicacions, tot i que els requisits de qualitat són molt més elevats per a les hòsties utilitzades en els circuits integrats. Aquestes hòsties també se sotmeten a passos addicionals com la implantació d'ions, el gravat i el modelatge fotolitogràfic, que no són necessaris per a les cèl·lules solars.