Las obleas de silicio están hechas de un solo cristal de silicio de alta pureza, generalmente con menos de una parte por mil millones de contaminantes. El proceso de Czochralski es el método más común para formar cristales grandes de esta pureza, que implica extraer un cristal semilla del silicio fundido, comúnmente conocido como masa fundida. Luego, el cristal semilla se transforma en un lingote cilíndrico conocido como bola.
Se pueden agregar elementos como boro y fósforo a la bola en cantidades precisas para controlar las propiedades eléctricas de la oblea, generalmente con el fin de convertirla en un semiconductor tipo n o tipo p. Luego, la bola se corta en rodajas finas con una sierra de alambre, también conocida como sierra para obleas. Las obleas cortadas se pueden pulir en distintos grados.
¿Para qué se utiliza una oblea de silicio?
Una oblea de silicio es una fina rodaja de silicio cristalino que se utiliza habitualmente en la industria electrónica. El silicio se utiliza para este propósito porque es un semiconductor, lo que significa que no es un conductor fuerte ni un aislante fuerte de la electricidad. Su abundancia natural y otras propiedades generalmente hacen que el silicio sea preferible a otros semiconductores como el germanio para fabricar obleas.
Las dimensiones más comunes de las obleas de silicio dependen de su aplicación. Las obleas utilizadas en los circuitos integrados son redondas y sus diámetros suelen oscilar entre 100 y 300 milímetros (mm). El espesor generalmente aumenta con el diámetro y suele estar en el intervalo de 525 a 775 micrones (μm). Las obleas de las células solares suelen ser cuadradas con lados que miden entre 100 y 200 mm. Su espesor oscila entre 200 y 300 μm, aunque se espera que en un futuro próximo se estandarice a 160 μm.
Circuitos integrados
Un CI, también conocido como microchip o simplemente chip, es un conjunto de circuitos electrónicos colocados en un sustrato de material semiconductor. El silicio monocristalino es actualmente el sustrato más común para los circuitos integrados, aunque el arseniuro de galio se utiliza en algunas aplicaciones, como los dispositivos de comunicación inalámbrica. Las obleas hechas de aleaciones de silicio-germanio también se están utilizando cada vez más, generalmente en aplicaciones donde la mayor velocidad del silicio-germanio justifica el mayor costo.
Los circuitos integrados se utilizan actualmente en la mayoría de los dispositivos electrónicos y prácticamente han reemplazado a componentes electrónicos separados. Son más pequeños, más rápidos y más baratos de fabricar que los componentes discretos por órdenes de magnitud. La rápida adopción de los circuitos integrados en la industria electrónica también se debe al diseño modular de los circuitos integrados, que se presta fácilmente a la producción en masa.
Estas capas se revelan de manera similar a las fotografías normales, excepto que se utiliza luz ultravioleta en lugar de luz visible, ya que las longitudes de onda de la luz visible son demasiado grandes para crear características con la precisión necesaria. Las características de los circuitos integrados modernos son tan pequeñas que los ingenieros de procesos deben utilizar microscopios electrónicos para depurarlas.
Fabricación de circuitos integrados
El equipo de prueba automatizado (ATE) prueba cada oblea antes de usarla para fabricar un circuito integrado, un proceso comúnmente conocido como sondeo de oblea o prueba de oblea. Luego, la oblea se corta en piezas rectangulares conocidas como matrices y luego se conecta a un paquete electrónico mediante cables conductores de electricidad, que generalmente están hechos de oro o aluminio. Estos cables se unen a almohadillas que generalmente se encuentran alrededor del borde del troquel mediante ultrasonido en un proceso llamado unión termosónica.
Los dispositivos resultantes se someten a fases de prueba finales, que normalmente utilizan equipos de escaneo ATE y tomografía computarizada (CT) industrial. El costo relativo de las pruebas varía mucho según el rendimiento, el tamaño y el costo del dispositivo. Por ejemplo, las pruebas pueden representar más del 25% de los costos totales de fabricación de dispositivos económicos, pero pueden ser prácticamente insignificantes para dispositivos grandes y costosos con bajos rendimientos.
Técnicas
La fabricación de circuitos integrados es un proceso altamente automatizado que utiliza muchas técnicas específicas. Estas capacidades impulsan el alto costo de construir una instalación de fabricación, que puede exceder los $8 mil millones a partir de 2016. Se espera que este costo aumente mucho más rápidamente que la inflación debido a la continua necesidad de una mayor automatización.
La tendencia hacia transistores más pequeños continuará en el futuro previsible: 14 nm será lo último en 2016. Se espera que los fabricantes de circuitos integrados como Intel, Samsung, Global Foundries y TSMC comiencen la transición a transistores de 10 nm a finales de 2017. .
Las obleas grandes proporcionan una economía de escala, lo que reduce el costo total de los circuitos integrados. Las obleas más grandes disponibles comercialmente tienen 300 mm de diámetro, y se espera que el siguiente tamaño máximo sea 450 mm. Sin embargo, todavía existen importantes desafíos técnicos para fabricar obleas de este tamaño.
Las técnicas adicionales utilizadas en la fabricación de circuitos integrados incluyen transistores de triple puerta, que Intel fabrica con un ancho de 22 nm desde 2011. IBM utiliza un proceso conocido como silicio tensado directamente sobre el aislante (SSDOI), que elimina la capa de silicio-germanio de una oblea.
El cobre está reemplazando a las interconexiones de aluminio en los circuitos integrados, principalmente debido a su mayor conductividad eléctrica. Los aisladores dieléctricos de bajo K y los aisladores de silicio (SOI) también son técnicas de fabricación avanzadas para circuitos integrados.
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Células solares
Una célula solar utiliza el efecto fotovoltaico para convertir la energía luminosa en energía eléctrica, lo que generalmente implica la absorción de luz por algún material para excitar electrones a un estado de mayor energía. Es un tipo de célula fotoeléctrica, un dispositivo que cambia sus características eléctricas cuando se expone a la luz. Las células solares pueden utilizar luz de cualquier fuente, aunque el término "solar" implica que requieren luz solar.
La generación de electricidad como fuente de energía es una de las aplicaciones más conocidas de las células solares. Este tipo de células solares utilizan una fuente de luz para cargar una batería, que puede utilizarse para alimentar un dispositivo eléctrico.
Las células solares suelen estar integradas en el dispositivo que deben alimentar. Por ejemplo, las luces que funcionan con energía solar, comúnmente disponibles en las tiendas de mejoras para el hogar, utilizan células solares para cargar una batería durante el día. Por la noche, la batería alimenta un sensor de movimiento que enciende la luz cuando detecta movimiento.
Las células solares se pueden clasificar en tipos de primera, segunda y tercera generación. Las células de primera generación están compuestas de silicio cristalino, incluidos silicio monocristalino y polisilicio. Actualmente son el tipo de célula solar más común. Las células de segunda generación utilizan una película delgada compuesta de silicio amorfo y normalmente se utilizan en centrales eléctricas comerciales. Las células solares de tercera generación utilizan películas delgadas desarrolladas con una variedad de tecnologías emergentes y actualmente tienen aplicaciones comerciales limitadas.
Fabricación de células solares
La gran mayoría de una célula solar de primera generación está compuesta de silicio cristalino, aunque su calidad estructural y pureza están muy por debajo de las utilizadas en los circuitos integrados. El silicio monocristalino convierte la luz en electricidad de manera más eficiente que el polisilicio, pero el silicio monocristalino también es más caro.
Las obleas se cortan en cuadrados para formar células individuales y luego se recortan sus esquinas para formar octágonos. Esta forma da a los paneles solares su distintiva apariencia de diamante. Todas las células que componen un panel solar deben estar orientadas en el mismo plano para maximizar la eficiencia de conversión. Los paneles suelen estar cubiertos con una lámina de vidrio en el lado que mira al sol para proteger las obleas.
Las células solares se pueden conectar en serie o en paralelo, según los requisitos específicos. Conectar las celdas en serie aumenta su voltaje, mientras que conectarlas en paralelo aumenta la corriente. La principal desventaja de las cadenas paralelas es que los efectos de sombra pueden hacer que las cadenas sombreadas se apaguen, lo que puede hacer que las cadenas iluminadas apliquen una polarización inversa a las cadenas sombreadas. Este efecto puede provocar una pérdida sustancial de potencia e incluso daños a las células.
La solución preferida a este problema es conectar cadenas de celdas en serie para formar módulos y utilizar rastreadores de punto de máxima potencia (MPPT) para manejar los requisitos de energía de las cadenas de forma independiente entre sí. Sin embargo, los módulos también se pueden interconectar para formar una matriz con la corriente de carga y el voltaje máximo deseados. Otra solución a los problemas causados por los efectos de sombra es el uso de diodos en derivación para reducir la pérdida de energía.
Aumento de tamaño
La tendencia hacia bolas más grandes en la industria de los semiconductores ha provocado un aumento del tamaño de las células solares. Los paneles solares desarrollados en los años 80 están formados por células con un diámetro de entre 50 y 100 mm. Los paneles fabricados durante las décadas de 1990 y 2000 solían utilizar obleas con un diámetro de 125 mm, y los paneles fabricados a partir de 2008 tienen celdas de 156 mm.
El uso de obleas de silicio
Las obleas de silicio se utilizan con mayor frecuencia como sustrato para circuitos integrados (CI), aunque también son un componente importante en las células fotovoltaicas o solares. El proceso básico de fabricación de estas obleas es el mismo para ambas aplicaciones, aunque los requisitos de calidad son mucho más altos para las obleas utilizadas en los circuitos integrados. Estas obleas también se someten a pasos adicionales, como la implantación de iones, el grabado y el modelado fotolitográfico, que no son necesarios para las células solares.