3 powody, dla których krzem jest idealnym półprzewodnikiem do produkcji chipów

Wiele naszych codziennych urządzeń elektronicznych w taki czy inny sposób opiera się na tranzystorach. Tranzystory to elementy elektroniczne służące do kontrolowania przepływu prądu przepływającego przez urządzenie. Działają jak elektronicznie sterowane przełączniki włączające i wyłączające, dostarczając sygnały binarne, które urządzenia mogą wykorzystać do przetwarzania danych.

Jak możesz sobie wyobrazić, tranzystory są obecne w prawie każdym urządzeniu elektronicznym, którego używasz na co dzień. Tranzystory można wykonać w oparciu o kilka surowców. Jednak producenci wolą używać silikonu niż jakiegokolwiek innego materiału. Oto trzy powody.

1. Krzem jest niedrogi

Krzem jest drugim po tlenie pierwiastkiem występującym w skorupie ziemskiej. Chociaż czysty krzem jest rzadkością, materiały takie jak krzemionka (SiO2) są łatwo dostępne na plaży lub w innych piaszczystych środowiskach.

Krzemionkę na plaży można zwykle zidentyfikować jako błyszczące ziarna, które mienią się, gdy masz do czynienia z piaskiem w słoneczny dzień.

Plaża nie jest jednak dobrym miejscem do pozyskiwania krzemu. Piasek plażowy zawiera zbyt wiele zanieczyszczeń, przez co stosunek krzemionki i innych materiałów nie jest idealny. Producenci albo kupowaliby od dostawców krzemu, albo sami wydobywali materiały w miejscach, w których stężenie krzemionki jest gęste.

W porównaniu z innymi materiałami metaloidalnymi, krzem ma znacznie łatwiejszy i bezpośredni sposób oczyszczania. Ponieważ krzemionka to tylko połączenie krzemu i tlenu, wszystko, co musisz zrobić, to usunąć cząsteczki tlenu i pozostaje czysty krzem.

Proces polega na wprowadzeniu węgla wraz z krzemionką do pieca rozgrzanego do 3 632 stopni Fahrenheita (2 000 stopni Celsjusza). Energia z ciepła rozerwałaby krzem i tlen. Opierając się na strukturach atomowych, tlen z większym prawdopodobieństwem wiąże się z węglem, pozostawiając w procesie wysoce skoncentrowany krzem.

2. Krzem jest używany do wytwarzania tranzystorów MOSFET używanych w przetwarzaniu chipów

MOSFET (metal-tlenek-krzem-tranzystor polowy) są idealnym typem tranzystora do tworzenia procesorów i pamięci, takich jak procesory, pamięci RAM, dyski SSD i dyski flash. Jak sama nazwa wskazuje, tranzystory MOSFET są wykonane z krzemu. Istnieje kilka cech MOSFET-ów, które czynią je idealnymi komponentami do wytwarzania chipów przetwarzających. Należą do nich:

• Wydajność energetyczna. W przeciwieństwie do innych tranzystorów, MOSFET-y są sterowane napięciem, a nie prądem. Przy napięciu sterującym bramką i tylko minimalnym natężeniu prądu przepływającego przez tranzystor, zużywane jest mniej energii.
• Przełączanie wysokiej częstotliwości. Używanie tylko minimalnego prądu do włączania i wyłączania tranzystorów MOSFET sprawia, że ​​te typy tranzystorów są idealne do zastosowań o wysokiej częstotliwości, takich jak procesory.
• Niskie zakłócenia elektromagnetyczne. Niskie prądy uniemożliwiają MOSFET-om wytwarzanie zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą wpływać na inne komponenty obok nich. Nie martwiąc się o zakłócenia elektromagnetyczne, inżynierowie byli w stanie zapakować je w tak gęste formaty.
• Izolacja naturalna. Krzem posiada właściwości tworzące naturalnie występującą izolację. Innym powodem, dla którego MOSFETy mogą być gęsto upakowane, jest ich naturalnie występująca izolacja.
• Świetna termika. Wysokie prądy powodują, że przewodniki są gorące. Ponieważ tranzystory MOSFET nie zużywają dużo prądu, nie nagrzewają się tak bardzo - oczywiście, chyba że je podkręcisz.
• Możliwość podkręcania. Praca z niską temperaturą oznacza również, że tranzystory MOSFET używane jako przełączniki mogą być dławione znacznie bardziej w porównaniu z innymi typami tranzystorów.

Ze względu na wiele zalet i zastosowań tranzystory MOSFET są wybieranym tranzystorem przy wytwarzaniu elementów układów elektronicznych, ale po co w ogóle używać krzemu do wytwarzania tranzystorów polowych? Dlaczego nie inne elementy?

Przy wytwarzaniu tranzystorów producenci muszą używać elementu o właściwościach półprzewodzących, takiego jak krzem. Półprzewodniki to metaloidy, które nie są ani przewodnikiem, ani izolatorem. Wciąż przepuszczają przez nie prąd, tylko w bardzo nieefektywny sposób.

Czysty krzem jest z natury złym przewodnikiem. Jednak dodając zanieczyszczenia, takie jak bor i fosfor, inżynierowie byli w stanie zmienić właściwości przewodzące półprzewodniki, umożliwiające tranzystorom przełączanie się z przewodnika na izolator po wprowadzeniu napięcia, podobnie jak a przełącznik.

Związane z: Co sprawia, że ​​chipy iPhone'a firmy Apple są tak wyjątkowe?

3. Łatwy proces produkcji

Chociaż inne półprzewodniki mają właściwości, które mogą tworzyć lepsze tranzystory polowe, krzem jest nadal preferowanym materiałem ze względu na łatwość jego wytwarzania. Oznacza to mniejszą złożoność, co przekłada się na mniejsze wydatki na specjalistyczne oprzyrządowanie i dodatkową obróbkę.

Jednym z głównych powodów, dla których łatwiej jest pracować z krzemem, jest jego wysoka temperatura topnienia. Temperatura topnienia krzemu wynosi 2570 stopni Fahrenheita (1410 stopni Celsjusza). Materiał o wysokiej temperaturze topnienia jest niezbędny do produkcji mikrochipów, zwłaszcza jeśli stosuje się bramkę ostatnią produkcja, która wprowadza fikcyjną bramkę używaną jako miejsce zastępcze do wykonania formy, w której ma być rzeczywista aktywna bramka zainstalowany.

Inną właściwością, która ułatwia wytwarzanie krzemu, jest jego naturalnie występująca właściwość izolacyjna. Kiedy tlen jest wprowadzany do górnych warstw krzemu, tworzą one warstwę metalu-tlenku-krzemu (szkło). Szkło jest doskonałym izolatorem nawet w przypadku cienkich warstw, pozwalając producentom na darmową izolację, oszczędzając im mnóstwo kosztów i czasu produkcji.

Oprócz tego, że jest tania, produkcja krzemu jest również znacznie ważniejsza niż jakakolwiek inna produkcja półprzewodników na rynku. Dzięki łatwo dostępnemu krzemowi producenci nie muszą się martwić, że skończą się surowce do pracy, ponownie oszczędzając czas i wytwarzając więcej mikrochipów, co przekłada się na większy zysk.

Związane z: Co to jest system na chipie (SoC)?

Krzem jest wszędzie

Krzem jest najlepszym półprzewodnikiem, który pozwolił naszemu światu rozkwitnąć i stać się technologicznym molochem, jakim jest dzisiaj. Odpowiada za umożliwienie określonej technologii i jest również powodem, dla którego większość świata może cieszyć się technologią.

Chociaż krzem ma wiele zalet produkcyjnych, które sprawiają, że przemysł technologiczny jest bardziej dochodowy, Ty, konsument, również odnosisz korzyści z produkcji krzemu. Urządzenia elektroniczne, takie jak smartfony, komputery, konsole do gier, telewizory, kamery CMOS i wszystkie inne inteligentne urządzenia są przystępne cenowo ze względu na niski koszt surowców i łatwiejsze produkcja.

Krzem jest tak dużą częścią naszego życia, że, jak na ironię, krzemionkę (nieczysty krzem) trzeba wydobywać z piaszczystych środowisk, podczas gdy czysty krzem można znaleźć porozrzucany po całym naszym domu.

Kiedy kończy się prawo Moore'a: 3 alternatywy dla chipsów krzemowych

Prawo Moore'a od dziesięcioleci dyktuje tempo rozwoju technologicznego. Ale co się dzieje, gdy jego fizyczne granice zostaną osiągnięte?

Czytaj dalej

O autorze