3 razloga zašto je silicij idealan poluvodič za proizvodnju čipova

Mnogi naši svakodnevni elektronički uređaji oslanjaju se na tranzistore na ovaj ili onaj način. Tranzistori su elektroničke komponente koje se koriste za kontrolu toka struje koja prolazi kroz uređaj. Oni djeluju kao elektronički kontrolirani prekidači koji se uključuju i isključuju, dajući binarne signale koje uređaji mogu koristiti za obradu podataka.

Kao što možete zamisliti, tranzistori su prisutni u gotovo svakom elektroničkom uređaju koji svakodnevno koristite. Tranzistori se mogu izraditi na temelju nekoliko sirovina. Međutim, proizvođači radije koriste silicij iznad bilo kojeg drugog materijala. Evo tri razloga zašto.

1. Silicij je jeftin

Silicij je drugi najzastupljeniji element u zemljinoj kori nakon kisika. Iako je čisti silicij rijedak, materijali poput silicijevog dioksida (SiO2) lako su dostupni na otvorenom na plaži ili u drugim pješčanim okruženjima.

Obično biste silicij na plaži mogli prepoznati kao sjajna zrnca koja svjetlucaju kada rukujete pijeskom po sunčanom danu.

Plaža, međutim, nije dobro mjesto za nabavku silicija. Pijesak na plaži ima previše nečistoća da omjer silicijevog dioksida i drugih materijala nije idealan. Proizvođači bi ili kupovali od dobavljača silicija ili bi sami izvlačili materijale na mjestima gdje su koncentracije silicija guste.

U usporedbi s drugim metaloidnim materijalima, silicij ima mnogo lakši i jednostavan način pročišćavanja. Budući da je silicij spojen samo silicij i kisik, sve što trebate učiniti je ukloniti čestice kisika i ostaje vam čisti silicij.

Proces je uvođenje ugljika sa silicijevim dioksidom u peći zagrijanoj na 3.632 stupnja Fahrenheita (2.000 stupnjeva Celzija). Energija iz topline razbila bi silicij i kisik. Na temelju atomske strukture, veća je vjerojatnost da se kisik veže s ugljikom, ostavljajući visoko koncentrirani silicij u procesu.

2. Silicij se koristi za izradu MOSFET-a koji se koriste za obradu čipova

MOSFET-i (metal-oxide-silicon field-effect-transistor) idealan su tip tranzistora za izradu procesora i memorije kao što su CPU, RAM-ovi, SSD-ovi i flash diskovi. Kao što naziv implicira, MOSFET-ovi su izrađeni od silicija. Postoji nekoliko kvaliteta MOSFET-a koje ih čine idealnim komponentama za izradu čipova za obradu. To bi uključivalo:

• Energetska učinkovitost. Za razliku od drugih tranzistora, MOSFET-ovi su kontrolirani naponom, a ne strujom. Uz napon koji kontrolira vrata i samo minimalne količine struje koja prolazi kroz tranzistor, troši se manje energije.
• Visokofrekventno prebacivanje. Korištenje samo minimalne struje za uključivanje i isključivanje MOSFET-a čini ove vrste tranzistora idealnim za visokofrekventne aplikacije kao što su procesori.
• Niske elektromagnetske smetnje. Niske struje sprječavaju MOSFET-ove da proizvode elektromagnetske smetnje koje mogu utjecati na druge komponente pored njih. Bez brige o elektromagnetskim smetnjama, inženjeri su ih uspjeli zapakirati u tako guste formate.
• Prirodna izolacija. Silicij ima svojstva koja čine prirodnu izolaciju. Drugi razlog zašto se MOSFETI mogu gusto pakirati je njihova prirodna izolacija.
• Velike topline. Velike struje čine vodiče vrućim. Budući da MOSFET-i ne koriste puno struje, ne zagrijavaju se toliko – osim ako ih ne overclockate, naravno.
• Overclockable. Rad s niskom temperaturom također znači da se MOSFET-ovi koji se koriste kao prekidači mogu prigušiti mnogo više u usporedbi s drugim vrstama tranzistora.

Sa svojim brojnim prednostima i primjenama, MOSFETI su tranzistor po izboru pri izradi komponenti elektroničkog čipa, ali zašto uopće koristiti silicij za izradu tranzistora s efektom polja? Zašto ne i drugi elementi?

Prilikom izrade tranzistora, proizvođači moraju koristiti element s poluvodljivim svojstvima kao što je silicij. Poluvodiči su metaloidi koji nisu ni vodič ni izolator. Oni i dalje dopuštaju struji da teče kroz njih, samo na vrlo neučinkovit način.

Čisti silicij je prirodno loš provodnik. Međutim, dodavanjem nečistoća poput bora i fosfora, inženjeri su uspjeli promijeniti vodljiva svojstva poluvodiči, koji omogućavaju tranzistorima da prelaze s vodiča na izolator kada se uvede napon, slično kao sklopka.

Povezano: Što Appleove iPhone čipove čini tako posebnima?

3. Jednostavan proces izrade

Iako drugi poluvodiči imaju svojstva koja mogu napraviti bolje tranzistore s efektom polja, silicij je još uvijek poželjan materijal zbog njegove lakoće izrade. To znači manje složenosti što znači manje novca utrošenog na specijalne alate i dodatnu obradu.

Jedan od glavnih razloga zašto je silicij lakše raditi je njegova visoka točka taljenja. Talište silicija je 2.570 stupnjeva Fahrenheita (1.410 stupnjeva Celzija). Materijal s visokom točkom taljenja neophodan je za proizvodnju mikročipova, osobito ako se implementiraju "gate-last". proizvodnja, koja uvodi lažnu kapiju koja se koristi kao rezervirano mjesto za izradu kalupa gdje će biti stvarna aktivna vrata instaliran.

Još jedno svojstvo koje čini silicij lakšim za proizvodnju je njegovo prirodno izolacijsko svojstvo. Kada se kisik unese u gornje slojeve silicija, oni tvore sloj metal-oksid-silicij (staklo). Staklo je izvrstan izolator čak i u tankim slojevima, dopuštajući proizvođačima besplatnu izolaciju, štedeći im tonu troškova i vremena proizvodnje.

Osim što je jeftina, proizvodnja silicija također je mnogo značajnija od bilo koje druge proizvodnje poluvodiča na tržištu. Budući da je silicij lako dostupan, proizvođači ne moraju brinuti da će ostati bez sirovina za rad, opet štede vrijeme i proizvode više mikročipova, što znači veću zaradu.

Povezano: Što je sustav na čipu (SoC)?

Silicij je posvuda

Silicij je vrhunski poluvodič koji je omogućio našem svijetu da postane prosperitetni i tehnološki velikan kakav je danas. Ona je odgovorna za omogućavanje određene tehnologije i također je razlog zašto većina svijeta može uživati ​​u tehnologiji.

Iako silicij ima mnoge proizvodne prednosti koje tehnološku industriju čine profitabilnijom, vi, potrošač, također imate koristi od proizvodnje silicija. Elektronički uređaji kao što su pametni telefoni, računala, igraće konzole, televizori, CMOS kamere i svi ostali pametni uređaji su cjenovno pristupačni zbog niske cijene sirovina i jednostavniji proizvodnja.

Silicij je tako velik dio našeg života da se, ironično, silicij (nečisti silicij) mora vaditi iz pješčanog okruženja, dok se čisti silicij može naći razbacan po cijelom našem kućanstvu.

Kada prestane Mooreov zakon: 3 alternative silicijumskim čipovima

Mooreov zakon desetljećima je diktirao tempo tehnološkog razvoja. Ali što se događa kada se dosegnu njegove fizičke granice?

Pročitajte dalje

O autoru