3 razlogi, zakaj je silicij idealen polprevodnik za proizvodnjo čipov

Številne naše vsakodnevne elektronske naprave se tako ali drugače zanašajo na tranzistorje. Tranzistorji so elektronske komponente, ki se uporabljajo za nadzor toka, ki teče skozi napravo. Delujejo kot elektronsko nadzorovana stikala, ki se vklopijo in izklopijo in zagotavljajo binarne signale, ki jih naprave lahko uporabljajo za obdelavo podatkov.

Kot si lahko predstavljate, so tranzistorji prisotni v skoraj vsaki elektronski napravi, ki jo dnevno uporabljate. Tranzistorje je mogoče izdelati na osnovi več surovin. Vendar pa proizvajalci raje uporabljajo silicij pred katerim koli drugim materialom. Tukaj so trije razlogi, zakaj.

1. Silicij je poceni

Silicij je za kisikom drugi najpogostejši element v zemeljski skorji. Čeprav je čisti silicij redek, so materiali, kot je silicijev dioksid (SiO2), zlahka na voljo na vidnem mestu na plaži ali v drugih peščenih okoljih.

Silicijev dioksid bi običajno lahko prepoznali na plaži kot sijoča ​​zrna, ki se iskrijo, ko ravnate s peskom na sončen dan.

Plaža pa ni dober kraj za pridobivanje silicija. Pesek na plaži ima preveč nečistoč, da razmerje silicijevega dioksida in drugih materialov ni idealno. Proizvajalci bi bodisi kupovali od ponudnikov silicija bodisi sami izkopavali materiale na mestih, kjer so koncentracije silicijevega dioksida goste.

V primerjavi z drugimi metaloidnimi materiali ima silicij veliko lažji in preprost način čiščenja. Ker je silicij sestavljen samo iz silicija in kisika, morate le odstraniti delce kisika in ostane vam čisti silicij.

Postopek je uvedba ogljika s silicijevim dioksidom v peči, segreti na 3.632 stopinj Fahrenheita (2.000 stopinj Celzija). Energija iz toplote bi razbila silicij in kisik. Glede na atomske strukture je verjetnost, da se kisik veže z ogljikom, pri tem pušča visoko koncentriran silicij.

2. Silicij se uporablja za izdelavo MOSFET-jev, ki se uporabljajo pri obdelavi čipov

MOSFET (metal-oxide-silicon field-effect-tranzistor) so idealen tip tranzistorja za izdelavo procesorjev in pomnilnika, kot so CPU, RAM-i, SSD-ji in bliskovni pogoni. Kot pove že ime, so MOSFET izdelani iz silicija. Obstaja več lastnosti MOSFET-ov, zaradi katerih so idealne komponente za izdelavo obdelovalnih čipov. Ti bi vključevali:

• Učinkovitost energije. V nasprotju z drugimi tranzistorji so MOSFET-i krmiljeni z napetostjo in ne s tokom. Z napetostjo, ki nadzoruje vrata, in le minimalnimi količinami toka, ki poteka skozi tranzistor, se porabi manj energije.
• Visokofrekvenčno preklapljanje. Uporaba le minimalnega toka za vklop in izklop MOSFET-a naredi te vrste tranzistorjev idealne za visokofrekvenčne aplikacije, kot so procesorji.
• Nizke elektromagnetne motnje. Nizki tokovi preprečujejo, da bi MOSFETS povzročali elektromagnetne motnje, ki bi lahko vplivale na druge komponente poleg njih. Brez skrbi za elektromagnetne motnje so jih inženirji lahko zapakirali v tako goste formate.
• Naravna izolacija. Silicij ima lastnosti, ki ustvarjajo naravno izolacijo. Drug razlog, zakaj je MOSFETE mogoče na gosto pakirati, je njihova naravna izolacija.
• Odlične terme. Zaradi visokih tokov se vodniki segrejejo. Ker MOSFET-ji ne porabijo veliko toka, se ne segrejejo toliko – razen če jih seveda ne overclockate.
• Overclockable. Delovanje z nizko toploto pomeni tudi, da je mogoče MOSFET, ki se uporabljajo kot stikala, veliko bolj dušiti v primerjavi z drugimi vrstami tranzistorjev.

MOSFETI so s svojimi številnimi prednostmi in aplikacijami tranzistor izbire pri izdelavi komponent elektronskih čipov, toda zakaj sploh uporabljati silicij za izdelavo tranzistorjev z učinkom polja? Zakaj ne drugih elementov?

Pri izdelavi tranzistorjev morajo proizvajalci uporabiti element s polprevodnimi lastnostmi, kot je silicij. Polprevodniki so metaloidi, ki niso niti prevodnik niti izolator. Še vedno omogočajo, da tok teče skozi njih, le na zelo neučinkovit način.

Čisti silicij je seveda slab prevodnik. Vendar pa so inženirji z dodajanjem nečistoč, kot sta bor in fosfor, lahko spremenili prevodne lastnosti polprevodniki, ki tranzistorjem omogočajo preklop iz prevodnika v izolator, ko se vnese napetost, podobno kot stikalo.

Povezano: Kaj naredi Appleove čipe iPhone tako posebne?

3. Enostaven postopek izdelave

Čeprav imajo drugi polprevodniki lastnosti, ki lahko naredijo boljše tranzistorje z učinkom polja, je silicij zaradi enostavne izdelave še vedno prednostni material. To pomeni manj zapletenosti, kar pomeni manj denarja, porabljenega za posebno orodje in dodatno obdelavo.

Eden od glavnih razlogov, zakaj je silicij lažje delati, je njegova visoka tališče. Tališče silicija je 2.570 stopinj Fahrenheita (1.410 stopinj Celzija). Material z visoko tališčem je bistvenega pomena za izdelavo mikročipov, še posebej, če se izvajajo zadnja vrata proizvodnja, ki uvaja lažna vrata, ki se uporabljajo kot nadomestni element za izdelavo kalupa, kjer naj bodo dejanska aktivna vrata nameščen.

Druga lastnost, zaradi katere je silicij lažje izdelati, je njegova naravna izolacijska lastnost. Ko kisik vnesemo v zgornje plasti silicija, tvorijo plast kovinski oksid-silicij (steklo). Steklo je odličen izolator tudi v tankih plasteh, kar proizvajalcem omogoča brezplačno izolacijo, kar jim prihrani veliko stroškov in časa izdelave.

Poleg tega, da je poceni, je proizvodnja silicija tudi veliko pomembnejša od katere koli druge proizvodnje polprevodnikov na trgu. Ker je silicij takoj na voljo, proizvajalcem ni treba skrbeti, da bo zmanjkalo surovin za delo, pri čemer bodo spet prihranili čas in izdelali več mikročipov, kar pomeni več dobička.

Povezano: Kaj je sistem na čipu (SoC)?

Silicij je povsod

Silicij je končni polprevodnik, ki je našemu svetu omogočil, da je postal uspešen in postal tehnološki velikan, kot je danes. Odgovoren je za omogočanje določene tehnologije in je tudi razlog, zakaj večina sveta lahko uživa v tehnologiji.

Čeprav ima silicij številne proizvodne prednosti, zaradi katerih je tehnološka industrija bolj dobičkonosna, imate od proizvodnje silicija koristi tudi vi, potrošnik. Elektronske naprave, kot so pametni telefoni, računalniki, igralne konzole, televizorji, CMOS kamere in vse druge pametne naprave so zaradi nizke cene surovin cenovno dostopne in enostavnejše proizvodnja.

Silicij je tako velik del našega življenja, da je ironično treba silicij (nečist silicij) pridobivati ​​iz peščenih okolij, medtem ko je čisti silicij raztresen po vsem gospodinjstvu.

Ko se Moorov zakon konča: 3 alternative silicijevim čipom

Moorov zakon že desetletja narekuje hitrost tehnološkega razvoja. Toda kaj se zgodi, ko so dosežene njegove fizične meje?

Preberite Naprej

O avtorju