Dlaczego krzem jest wykorzystywany do produkcji mikroczipów?

16

W moim dążeniu do lepszego zrozumienia, w jaki sposób działają komputery na głębokim poziomie, doszedłem do pytania, dlaczego właśnie krzem jest używany w mikroczipach. Zawsze naiwnie zakładałem, że krzem ma bardzo wysoką oporność elektryczną, dlatego jest dobrym materiałem do umieszczania innych materiałów o niskiej oporności elektrycznej (np. Złota). I w ten sposób powstały mikroczipy.

Po przeprowadzeniu pewnych badań widzę, że się myliłem i że krzem jest „półprzewodnikiem”. Krótko mówiąc, przeskoczę do przodu i powiem, że nie rozumiem, co to jest półprzewodnik i dlaczego jest dobry do robienia mikroczipów. Widziałem kilka wyjaśnień i albo mnie pomylili, albo wyjaśnienia te były całkowicie sprzeczne, ale podstawową zasadą jest to, że półprzewodnik jest gdzieś pomiędzy przewodnikiem a izolatorem. Dlaczego jest to przydatne do tworzenia układów scalonych?

Cole Rowland
źródło
8
Półprzewodnik jest materiałem, którego zachowanie elektryczne może być modyfikowane przez dodane do niego zanieczyszczenia (domieszkowanie), i może być stosowany do wytwarzania elementów obwodów o różnych opornościach, zachowaniu progu napięcia itp., W zależności od wpływających czynników, takich jak przykładane elektryczne i magnetyczne pola. Krzem jest tani, wszechobecny (zwykły piasek) i wygodny, ale w razie potrzeby stosuje się także german i inne materiały półprzewodnikowe.
Anindo Ghosh,
Zasadniczo więc producent wykorzystuje te zanieczyszczenia do tworzenia ścieżek, w których może przemieszczać się prąd elektryczny? Czy to jest poprawne?
Cole Rowland,
Nie ścieżki: To byłoby bardziej jak PCB, z miedzią jako ścieżkami. Rzeczywiste zachowanie materiałów jest modyfikowane, np. Wzrost prądu przez złącze baza-emiter, a prąd przez złącze kolektor-emiter wzrasta, na przykład w bipolarnym tranzystorze złącza, jeśli krzem po obu stronach złączy jest odpowiednio „domieszkowany”.
Anindo Ghosh,
Przepraszamy, „ścieżki” mogły być niewłaściwym słowem. Miałem na myśli to, że dodając różne zanieczyszczenia, możesz dostosować właściwości chemiczne krzemu, kontrolując w ten sposób przepływ prądu elektrycznego przez układ. Czy to jest poprawne?
Cole Rowland,
5
Po co głosować za tym pytaniem? Poprosiłem o przywrócenie go do 0. Jeśli zamierzasz głosować negatywnie, prześlij opinię, aby pytanie można było poprawić.
bhillam

Odpowiedzi:

18

Można stosować i stosować dowolny z wielu materiałów półprzewodnikowych, w rzeczywistości pierwszy tranzystor był tak naprawdę tranzystorem germanu (Ge). prawdziwy powód, dla którego Si jest tak dominujący, sprowadza się do 4 głównych powodów (ale # 1 jest głównym powodem):

1) Tworzy tlenek o bardzo wysokiej jakości, uszczelnia powierzchnię za pomocą bardzo niewielu otworów na szpilki lub szczelin. - pozwala to na łatwiejsze wykonanie MOSFET-a szczelinowego, ponieważ SiO 2 tworzy warstwę izolacyjną dla bramki, - SiO 2 został nazwany przyjacielem projektantów układów.

2) Tworzy bardzo twardy azotek, azotek krzemu Si 3 N 4 tworzy bardzo wysoki izolator szczelinowy, który jest nieprzepuszczalny. - służy do pasywacji (uszczelnienia) matrycy. - służyło to również do tworzenia twardych masek i na innych etapach procesu

3) Si ma bardzo ładną przerwę ~ 1,12 eV, niezbyt wysoką, aby temperatura pokojowa nie mogła go zjonizować, i nie tak niską, że musi mieć wysoki prąd upływowy.

4) tworzy bardzo ładny materiał na bramę. Większość nowoczesnych FET używanych w VLSI (aż do najnowszych generacji) nosiła nazwę MOSFET, ale w rzeczywistości użyła Si jako materiału bramy. Okazuje się, że bardzo łatwo osadza się niekrystaliczny Si na powierzchniach i łatwo go wytrawić z wielką precyzją.

Zasadniczo sukces Si jest sukcesem MOSFET, który dzięki skalowaniu i ekstremalnej integracji napędzał przemysł. Mosfety nie są tak łatwo wytwarzane w innych systemach materiałowych i nie można osiągnąć tego samego poziomu integracji w innych półprzewodnikach.

GeO 2 - jest częściowo rozpuszczalny

GaAs - nie tworzy tlenku

CO 2 - jest gazem

Półprzewodniki są używane, ponieważ przy selektywnym zanieczyszczeniu (zwanym domieszkami) można kontrolować właściwości materiału i dostosować jego działanie i mechanizmy operacyjne.

symbol zastępczy
źródło
To świetna odpowiedź.
Rocketmagnet
1
+1, ale moim zdaniem wysoka dostępność i niski koszt materiału to kolejny dobry powód.
kenny
1
Krzem był już dominującym materiałem półprzewodnikowym, zanim powszechnie stosowano FET.
Olin Lathrop,
1
Kolejną zaletą krzemu w porównaniu z alternatywami (takimi jak GaA, które przez wiele lat były „półprzewodnikiem przyszłości”), jest wytrzymałość fizyczna. Z tego, co mi powiedziano, jeśli zrobisz płytkę 200 mm GaAs, prawdopodobnie roztrzaska się, jeśli popatrzysz na nią zabawnie. To jeden z powodów, dla których fabuły GaAs utknęły ze znacznie mniejszymi (3 "i 4"? ), dzięki czemu GaA są o wiele bardziej nieekonomiczne w porównaniu do Si.
Photon
6

Aby naszkicować, dlaczego półprzewodnik jest dobry do tworzenia obwodów, zacznij od zrozumienia, że ​​znajduje się on między przewodnikiem a izolatorem, i dodaj fakt, że zanieczyszczenia (domieszki) i inne przetwarzanie (warstwy tlenku) mogą modyfikować jego zachowanie, tworząc części przewodzi lepiej, a inne części gorzej. Dodaj fakt, że ładunki elektryczne przyciągają się lub odpychają (przeciwieństwa się przyciągają, podobnie jak ładunki odpychają).

Teraz wyobraź sobie kanał, w którym mogą płynąć elektrony, izolowane od pobliskiej warstwy przewodzącej, na której kontrolujesz napięcie. Uczyń tę warstwę ujemną, a jej pole elektryczne odpycha elektrony w kanale - nawet przez izolator - powstrzymując je przed wejściem do kanału. Ustaw wartość dodatnią i przyciąga elektrony do kanału z końcówki -ve, skąd mogą przepływać przez nią do końcówki + ve. Dzięki temu możesz kontrolować przepływ prądu za pomocą napięcia na izolowanej warstwie.

Jest to tranzystor polowy lub tranzystor polowy. - izolowana warstwa nazywa się bramą; terminal -ve nazywany jest źródłem, a terminal + ve to dren.

Gdy elektrony przepływają w kanale, nazywa się to N-kanałowym FET (N dla ujemnego)

Istnieją inne urządzenia, które można zbudować na półprzewodniku, z większą głębią zrozumienia, ale mam nadzieję, że to wystarczy, aby pokazać podstawową zasadę.

Co do krzemu? Z prawdopodobnie tuzina możliwych materiałów półprzewodnikowych jest on szczególnie wygodny i niezawodny, a także prawie tak tani jak piasek (który jest głównie dwutlenkiem krzemu)

Brian Drummond
źródło