3 iemesli, kāpēc silīcijs ir ideāls pusvadītājs mikroshēmu ražošanai

Daudzas mūsu ikdienas elektroniskās ierīces vienā vai otrā veidā ir atkarīgas no tranzistoriem. Tranzistori ir elektroniski komponenti, ko izmanto, lai kontrolētu strāvas plūsmu, kas iet caur ierīci. Tie darbojas kā elektroniski kontrolēti slēdži, kas ieslēdzas un izslēdzas, nodrošinot bināros signālus, ko ierīces var izmantot datu apstrādei.

Kā jūs varat iedomāties, tranzistori ir gandrīz visās elektroniskajās ierīcēs, kuras izmantojat katru dienu. Tranzistorus var izgatavot, pamatojoties uz vairākām izejvielām. Tomēr ražotāji dod priekšroku silīcija izmantošanai, nevis citiem materiāliem. Šeit ir trīs iemesli, kāpēc.

1. Silīcijs ir lēts

Silīcijs ir otrs visbiežāk sastopamais elements zemes garozā pēc skābekļa. Lai gan tīrs silīcijs ir reti sastopams, tādi materiāli kā silīcija dioksīds (SiO2) ir viegli pieejami pludmalē vai citā smilšainā vidē.

Parasti silīcija dioksīdu pludmalē var identificēt kā spīdīgus graudus, kas mirdz, saulainā dienā apstrādājot smiltis.

Tomēr pludmale nav piemērota vieta silīcija iegūšanai. Pludmales smiltīs ir pārāk daudz piemaisījumu, tāpēc silīcija dioksīda un citu materiālu attiecība nav ideāla. Ražotāji vai nu iegādātos no silīcija piegādātājiem, vai paši iegūtu materiālus vietās, kur silīcija dioksīda koncentrācija ir blīva.

Salīdzinot ar citiem metaloīdu materiāliem, silīcijam ir daudz vienkāršāks un vienkāršāks attīrīšanas veids. Tā kā silīcija dioksīds ir apvienots tikai silīcijs un skābeklis, viss, kas jums jādara, ir jānoņem skābekļa daļiņas, un jums atliek tīrs silīcijs.

Process ir oglekļa ievadīšana ar silīcija dioksīdu krāsnī, kas uzkarsēta līdz 3632 grādiem pēc Fārenheita (2000 grādiem pēc Celsija). Siltuma enerģija sadalītu silīciju un skābekli. Pamatojoties uz atomu struktūrām, skābeklis, visticamāk, saistās ar oglekli, atstājot procesā ļoti koncentrētu silīciju.

2. Silīciju izmanto MOSFET ražošanai, ko izmanto mikroshēmu apstrādē

MOSFET (metāla-oksīda-silīcija lauka efekta tranzistors) ir ideāls tranzistoru veids, lai izveidotu procesorus un atmiņu, piemēram, CPU, RAM, SSD un zibatmiņas diskus. Kā norāda nosaukums, MOSFET ir izgatavoti no silīcija. MOSFETS ir vairākas īpašības, kas padara tos par ideāliem komponentiem mikroshēmu apstrādei. Tie ietver:

• Enerģijas efektivitāte. Atšķirībā no citiem tranzistoriem MOSFETS kontrolē spriegums, nevis strāva. Ar spriegumu, kas kontrolē vārtus un tikai minimālu strāvas daudzumu, kas iet caur tranzistoru, tiek patērēts mazāk enerģijas.
• Augstas frekvences pārslēgšana. Izmantojot tikai minimālu strāvu, lai ieslēgtu un izslēgtu MOSFET, šāda veida tranzistori ir ideāli piemēroti augstfrekvences lietojumprogrammām, piemēram, procesoriem.
• Zemi elektromagnētiskie traucējumi. Zema strāva neļauj MOSFETS radīt elektromagnētiskus traucējumus, kas var ietekmēt citus blakus komponentus. Neuztraucoties par elektromagnētiskajiem traucējumiem, inženieri varēja tos iepakot tik blīvos formātos.
• Dabiskā izolācija. Silīcijam piemīt īpašības, kas nodrošina dabisku izolāciju. Vēl viens iemesls, kāpēc MOSFETS var būt blīvi iepakots, ir dabiskā izolācija.
• Lieliski termālie. Liela strāva padara vadītājus karstus. Tā kā MOSFET nepatērē daudz strāvas, tie tik daudz nesasilda, protams, ja vien jūs tos nepārsteidzat.
• Pārsteidzināms. Darbošanās ar zemu siltumu nozīmē arī to, ka MOSFETS, ko izmanto kā slēdžus, var noregulēt daudz vairāk, salīdzinot ar cita veida tranzistoriem.

Ar daudzajām priekšrocībām un pielietojumiem MOSFETS ir izvēlētais tranzistors, veidojot elektronisko mikroshēmu komponentus, bet kāpēc vispirms izmantot silīciju, lai izgatavotu lauka efekta tranzistorus? Kāpēc ne citus elementus?

Izgatavojot tranzistorus, ražotājiem ir jāizmanto elements ar pusvadošām īpašībām, piemēram, silīcijs. Pusvadītāji ir metaloīdi, kas nav ne vadītājs, ne izolators. Tie joprojām ļauj strāvai plūst caur tiem, tikai ļoti neefektīvā veidā.

Tīrs silīcijs dabiski ir slikts vadītājs. Tomēr, pievienojot piemaisījumus, piemēram, boru un fosforu, inženieri varēja mainīt elektrovadītspējas īpašības. pusvadītāji, kas ļauj tranzistoriem pārslēgties no vadītāja uz izolatoru, kad tiek ievadīts spriegums, līdzīgi kā slēdzis.

Saistīts: Kas padara Apple iPhone mikroshēmas tik īpašas?

3. Vienkāršs ražošanas process

Lai gan citiem pusvadītājiem ir īpašības, kas var izgatavot labākus lauka efekta tranzistorus, silīcijs joprojām ir vēlamais materiāls tā izgatavošanas vienkāršības dēļ. Tas nozīmē mazāku sarežģītību, kas nozīmē mazāk naudas, kas tiek tērēta specializētiem instrumentiem un papildu apstrādei.

Viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc ar silīciju ir vieglāk strādāt, ir tā augstā kušanas temperatūra. Silīcija kušanas temperatūra ir 2570 grādi pēc Fārenheita (1410 grādi pēc Celsija). Materiāls ar augstu kušanas temperatūru ir būtisks mikroshēmu ražošanā, it īpaši, ja tie nodrošina pēdējo ražošana, kas ievieš fiktīvus vārtus, ko izmanto kā vietturi, lai izveidotu veidni, kur jāatrodas faktiskie aktīvie vārti uzstādīta.

Vēl viena īpašība, kas padara silīciju vieglāk izgatavojamu, ir tā dabiski sastopamā izolācijas īpašība. Kad skābeklis tiek ievadīts augšējos silīcija slāņos, tie veido metāla oksīda-silīcija (stikla) ​​slāni. Stikls ir lielisks izolators pat plānos slāņos, ļaujot ražotājiem iegūt bezmaksas izolāciju, ietaupot tonnu izmaksas un ražošanas laiku.

Papildus tam, ka silīcija ražošana ir lēta, tā ir arī daudz nozīmīgāka nekā jebkura cita pusvadītāju ražošana tirgū. Tā kā silīcijs ir viegli pieejams, ražotājiem nav jāuztraucas par to, ka beigsies izejmateriāli, ar kuriem strādāt, tādējādi ietaupot laiku un iegūstot vairāk mikroshēmu, kas nozīmē lielāku peļņu.

Saistīts: Kas ir sistēma mikroshēmā (SoC)?

Silīcijs ir visur

Silīcijs ir galvenais pusvadītājs, kas ļāva mūsu pasaulei kļūt plaukstošai un būt tādam tehnoloģiskajam liellopam, kāds tas ir šodien. Tas ir atbildīgs par noteiktu tehnoloģiju padarīšanu iespējamu, un tas ir arī iemesls, kāpēc lielākā daļa pasaules var baudīt tehnoloģiju.

Lai gan silīcijam ir daudzas ražošanas priekšrocības, kas padara tehnoloģiju nozari izdevīgāku, jūs, patērētājs, gūstat arī labumu no silīcija ražošanas. Elektroniskās ierīces, piemēram, viedtālruņi, datori, spēļu konsoles, televizori, CMOS kameras un visas pārējās viedierīces ir padarītas par pieņemamām cenām zemo izejvielu izmaksu dēļ un vienkāršāk ražošana.

Silīcijs ir tik liela mūsu dzīves sastāvdaļa, ka ironiskā kārtā silīcija dioksīds (netīrais silīcijs) ir jāiegūst smilšainā vidē, savukārt tīrs silīcijs ir izkaisīts visā mūsu mājsaimniecībā.

Kad Mūra likums beidzas: 3 alternatīvas silīcija mikroshēmām

Mūra likums gadu desmitiem ir diktējis tehnoloģiju attīstības tempu. Bet kas notiek, kad tiek sasniegtas tā fiziskās robežas?

Lasiet Tālāk

Par autoru