3 причины, по которым кремний является идеальным полупроводником для производства микросхем

Многие из наших повседневных электронных устройств так или иначе полагаются на транзисторы. Транзисторы - это электронные компоненты, используемые для управления током, проходящим через устройство. Они действуют как переключатели с электронным управлением, включающиеся и выключаемые, обеспечивая двоичные сигналы, которые устройства могут использовать для обработки данных.

Как вы понимаете, транзисторы присутствуют почти в каждом электронном устройстве, которое вы используете ежедневно. Транзисторы могут изготавливаться из нескольких видов сырья. Однако производители предпочитают использовать силикон перед любым другим материалом. Вот три причины, почему.

1. Кремний стоит недорого

Кремний - второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода. Хотя чистый кремний встречается редко, такие материалы, как диоксид кремния (SiO2), легко доступны для просмотра на пляже или в других песчаных средах.

Обычно кремнезем на пляже можно определить как блестящие зерна, которые сверкают, когда вы обращаетесь с песком в солнечный день.

Однако пляж - не лучшее место для источников кремния. Пляжный песок содержит слишком много примесей, поэтому соотношение кремнезема и других материалов не является идеальным. Производители будут либо покупать у поставщиков кремния, либо сами добывать материалы в местах с высокой концентрацией кремнезема.

По сравнению с другими металлоидными материалами, кремний имеет гораздо более простой и понятный способ очистки. Поскольку диоксид кремния - это только кремний и кислород вместе взятые, все, что вам нужно сделать, это удалить частицы кислорода, и у вас останется чистый кремний.

Процесс заключается в введении углерода с диоксидом кремния в печь, нагретую до 3632 градусов по Фаренгейту (2000 градусов по Цельсию). Энергия тепла разорвала бы кремний и кислород на части. Основываясь на атомной структуре, кислород с большей вероятностью связывается с углеродом, оставляя в процессе высококонцентрированный кремний.

2. Кремний используется для изготовления полевых МОП-транзисторов, используемых в процессорных микросхемах

MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-кремний) - идеальный тип транзистора для изготовления процессоров и памяти, таких как CPU, RAM, SSD и флэш-накопители. Как следует из названия, полевые МОП-транзисторы сделаны из кремния. МОП-транзисторы обладают несколькими качествами, которые делают их идеальными компонентами для изготовления микросхем обработки. К ним относятся:

• Энергоэффективность. В отличие от других транзисторов, полевые МОП-транзисторы управляются напряжением, а не током. Благодаря напряжению, управляющему затвором, и минимальному току, проходящему через транзистор, потребляется меньше энергии.
• Высокочастотное переключение. Использование только минимального тока для включения и выключения MOSFET делает эти типы транзисторов идеальными для высокочастотных приложений, таких как процессоры.
• Низкие электромагнитные помехи. Низкие токи не позволяют МОП-транзисторам создавать электромагнитные помехи, которые могут повлиять на другие компоненты помимо него. Не беспокоясь об электромагнитных помехах, инженеры смогли упаковать их в такие плотные форматы.
• Естественная изоляция. Кремний обладает свойствами, которые обеспечивают естественную изоляцию. Еще одна причина, по которой полевые МОП-транзисторы могут быть плотно упакованы, - это их естественная изоляция.
• Отличные термальные источники. Высокие токи нагревают проводники. Поскольку полевые МОП-транзисторы не потребляют большой ток, они не нагреваются так сильно - если, конечно, вы их не разгоните.
• Разгоняемый. Работа с низким нагревом также означает, что МОП-транзисторы, используемые в качестве переключателей, можно регулировать гораздо больше по сравнению с другими типами транзисторов.

Обладая многочисленными преимуществами и возможностями применения, полевые МОП-транзисторы являются предпочтительным транзистором при создании компонентов электронных микросхем, но зачем вообще использовать кремний для создания полевых транзисторов? Почему не другие элементы?

При изготовлении транзисторов производителям необходимо использовать элемент с полупроводящими свойствами, например кремний. Полупроводники - это металлоиды, которые не являются ни проводником, ни изолятором. Они по-прежнему пропускают через себя ток, но очень неэффективно.

Чистый кремний, естественно, плохой проводник. Однако, добавив примеси, такие как бор и фосфор, инженеры смогли изменить проводящие свойства полупроводники, позволяющие транзисторам переключаться с проводника на изолятор при подаче напряжения, что очень похоже на выключатель.

Связанный: Что делает чипы Apple для iPhone такими особенными?

3. Легкий процесс изготовления

Хотя другие полупроводники обладают свойствами, позволяющими создавать более совершенные полевые транзисторы, кремний по-прежнему является предпочтительным материалом из-за простоты изготовления. Это означает меньшую сложность, что означает меньшие затраты на специализированные инструменты и дополнительную обработку.

Одна из основных причин, по которой с кремнием легче работать, заключается в его высокой температуре плавления. Температура плавления кремния составляет 2570 градусов по Фаренгейту (1410 градусов по Цельсию). Материал с высокой температурой плавления важен для производства микрочипов, особенно если они применяют функцию последнего затвора. производство, в котором вводится фиктивный вентиль, используемый в качестве заполнителя для изготовления формы, в которой должен быть фактический активный вентиль установлены.

Еще одно свойство, которое делает кремний более простым в изготовлении, - это его естественные изолирующие свойства. Когда кислород вводится в верхние слои кремния, они образуют слой оксида металла-кремния (стекла). Стекло является отличным изолятором даже в тонких слоях, позволяя производителям иметь бесплатную изоляцию, что позволяет сэкономить массу средств и времени на производство.

Производство кремния не только дешево, но и гораздо важнее, чем любое другое производство полупроводников на рынке. Благодаря тому, что кремний легкодоступен, производителям не нужно беспокоиться о нехватке сырья для работы, что снова экономит время и производит больше микрочипов, что приводит к увеличению прибыли.

Связанный: Что такое система на кристалле (SoC)?

Кремний везде

Кремний - это непревзойденный полупроводник, который позволил нашему миру стать процветающим и технологическим гигантом, каким он является сегодня. Он отвечает за создание определенных технологий, а также является причиной того, что большая часть мира может пользоваться технологиями.

Хотя кремний имеет множество производственных преимуществ, которые делают технологическую отрасль более прибыльной, вы, потребитель, также получаете выгоду от производства кремния. Электронные устройства, такие как смартфоны, компьютеры, игровые консоли, телевизоры, камеры CMOS и все остальные умные устройства стали доступными благодаря низкой стоимости сырья и простоте изготовление.

Кремний - это такая большая часть нашей жизни, что, по иронии судьбы, кремний (нечистый кремний) приходится добывать в песчаной среде, в то время как чистый кремний можно найти повсюду в нашем доме.

Когда закон Мура закончится: 3 альтернативы кремниевым чипам

Закон Мура на протяжении десятилетий определял темпы технологического развития. Но что произойдет, когда достигнут его физический предел?

Читать далее

Об авторе