3 причини силицият да е идеалният полупроводник за производство на чипове

Много от ежедневните ни електронни устройства разчитат на транзистори по един или друг начин. Транзисторите са електронни компоненти, използвани за управление на потока на тока, преминаващ през устройство. Те действат като електронно управлявани превключватели, които се включват и изключват, осигурявайки двоични сигнали, които устройствата могат да използват за обработка на данни.

Както можете да си представите, транзисторите присъстват в почти всяко електронно устройство, което използвате ежедневно. Транзисторите могат да бъдат направени на базата на няколко суровини. Въпреки това, производителите предпочитат да използват силиций пред всеки друг материал. Ето три причини защо.

1. Силицият е евтин

Силицият е вторият най-разпространен елемент в земната кора след кислорода. Въпреки че чистият силиций е рядък, материали като силициев диоксид (SiO2) са лесно достъпни на обикновен изглед на плажа или други пясъчни среди.

Обикновено можете да идентифицирате силициевия диоксид на плажа като блестящите зърна, които блестят, когато се справяте с пясък в слънчев ден.

Плажът обаче не е добро място за доставка на силиций. Плажният пясък има твърде много примеси, че съотношението на силициев диоксид и други материали не е идеално. Производителите или ще купуват от доставчици на силиций, или сами ще добиват материалите на места, където концентрациите на силициев диоксид са гъсти.

В сравнение с други металоидни материали, силицийът има много по-лесен и ясен начин за пречистване. Тъй като силициевият диоксид е само комбиниран силиций и кислород, всичко, което трябва да направите, е да премахнете кислородните частици и оставате с чист силиций.

Процесът е да се въведе въглерод със силициев диоксид в пещ, загрята до 3632 градуса по Фаренхайт (2000 градуса по Целзий). Енергията от топлината би разцепила силиция и кислорода. Въз основа на атомните структури е по-вероятно кислородът да се свърже с въглерода, оставяйки силно концентриран силиций в процеса.

2. Силицият се използва за направата на MOSFETs, използвани в обработката на чипове

MOSFET (метал-оксид-силициев полеви транзистор) са идеалният тип транзистори за производство на процесори и памет като процесори, RAM, SSD и флаш устройства. Както подсказва името, MOSFET са направени от силиций. Има няколко качества на MOSFET, които ги правят идеалните компоненти за производство на чипове за обработка. Те ще включват:

• Енергийна ефективност. За разлика от други транзистори, MOSFETS се управляват от напрежение, а не ток. С напрежение, управляващо портата и само минимални количества ток, преминаващ през транзистора, се консумира по-малко енергия.
• Високочестотно превключване. Използването само на минимален ток за включване и изключване на MOSFET прави тези типове транзистори идеални за високочестотни приложения като процесори.
• Ниски електромагнитни смущения. Ниските токове не позволяват на MOSFETS да произвеждат електромагнитни смущения, които могат да засегнат други компоненти до него. Без да се притесняват от електромагнитни смущения, инженерите успяха да ги опаковат в такива плътни формати.
• Естествена изолация. Силицият има свойства, които правят естествена изолация. Друга причина, поради която MOSFET-ите могат да бъдат плътно опаковани е чрез естествената им изолация.
• Страхотни термици. Големите токове правят проводниците горещи. Тъй като MOSFET-ите не използват много ток, те не се нагряват толкова много – освен ако не ги овърклокнете, разбира се.
• Възможност за овърклокване. Работата с ниска топлина също означава, че MOSFET, използвани като превключватели, могат да бъдат дроселирани много повече в сравнение с други видове транзистори.

Със своите многобройни предимства и приложения, MOSFETS са предпочитаният транзистор при изработването на компоненти за електронни чипове, но защо да използваме силиций за направата на полеви транзистори на първо място? Защо не и други елементи?

Когато правят транзистори, производителите трябва да използват елемент с полупроводими свойства като силиций. Полупроводниците са металоиди, които не са нито проводник, нито изолатор. Те все още позволяват на тока да тече през тях, просто по много неефективен начин.

Чистият силиций е естествено лош проводник. Въпреки това, чрез добавяне на примеси като бор и фосфор, инженерите успяха да променят проводимите свойства на полупроводници, позволяващи на транзисторите да преминават от проводник към изолатор, когато се въведе напрежение, подобно на превключвател.

Свързано: Какво прави iPhone чиповете на Apple толкова специални?

3. Лесен процес на производство

Въпреки че други полупроводници имат свойства, които могат да направят по-добри транзистори с полеви ефект, силицийът все още е предпочитаният материал поради неговата лекота на производство. Това означава по-малко сложност, което означава по-малко пари, изразходвани за специални инструменти и допълнителна обработка.

Една от основните причини, поради които силицият е по-лесен за работа, се дължи на високата му точка на топене. Точката на топене на силиция е 2570 градуса по Фаренхайт (1410 градуса по Целзий). Материал с висока точка на топене е от съществено значение за производството на микрочипове, особено ако те прилагат gate-last производство, което въвежда фиктивна врата, използвана като заместител за направата на матрица, където трябва да бъде действителната активна врата инсталирани.

Друго свойство, което прави силиция по-лесен за производство, е естественото му изолационно свойство. Когато кислородът се въведе в горните силициеви слоеве, те образуват слой от метал-оксид-силиций (стъкло). Стъклото е отличен изолатор дори в тънки слоеве, което позволява на производителите да имат безплатна изолация, спестявайки им много разходи и време за производство.

Освен че е евтино, производството на силиций е много по-значимо от всяко друго полупроводниково производство на пазара. С леснодостъпния силиций, производителите не трябва да се притесняват, че ще свършат суровините за работа, като отново спестяват време и правят повече микрочипове, което води до по-голяма печалба.

Свързано: Какво е система на чип (SoC)?

Силицият е навсякъде

Силицият е най-добрият полупроводник, който позволи на нашия свят да стане проспериращ и да бъде технологичният гигант, какъвто е днес. Той е отговорен за това да направи някои технологии възможни и също така е причината, поради която по-голямата част от света може да се наслаждава на технологиите.

Въпреки че силицийът има много производствени предимства, които правят технологичната индустрия по-печеливша, вие, потребителят, също се възползвате от производството на силиций. Електронни устройства като смартфони, компютри, игрови конзоли, телевизори, CMOS камери и всички други интелигентни устройства са достъпни поради ниската цена на суровините и са по-лесни производство.

Силицият е толкова голяма част от живота ни, че по ирония на съдбата силициевият диоксид (нечист силиций) трябва да се добива от пясъчна среда, докато чистият силиций може да бъде разпръснат из цялото ни домакинство.

Когато законът на Мур свърши: 3 алтернативи на силициевите чипове

Законът на Мур диктува темпа на технологично развитие от десетилетия. Но какво се случва, когато се достигнат физическите му граници?

Прочетете Следващото

За автора