3 důvody, proč je křemík ideálním polovodičem pro výrobu čipů

Mnoho našich každodenních elektronických zařízení spoléhá na tranzistory tak či onak. Tranzistory jsou elektronické součástky používané k řízení toku proudu procházejícího zařízením. Fungují jako elektronicky řízené spínače, které se zapínají a vypínají a poskytují binární signály, které mohou zařízení použít ke zpracování dat.

Jak si dokážete představit, tranzistory jsou přítomny téměř v každém elektronickém zařízení, které denně používáte. Tranzistory mohou být vyrobeny na základě několika surovin. Výrobci však dávají přednost použití křemíku před jakýmkoli jiným materiálem. Tady jsou tři důvody proč.

1. Křemík je levný

Křemík je po kyslíku druhým nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře. Ačkoli je čistý křemík vzácný, materiály jako oxid křemičitý (SiO2) jsou snadno dostupné na pohled na pláži nebo v jiném písčitém prostředí.

Oxid křemičitý můžete na pláži obvykle identifikovat jako lesklá zrna, která se třpytí, když manipulujete s pískem za slunečného dne.

Pláž však není dobrým místem pro získávání křemíku. Plážový písek má příliš mnoho nečistot, takže poměr oxidu křemičitého a dalších materiálů není ideální. Výrobci by buď nakupovali od poskytovatelů křemíku, nebo by materiály těžili sami v místech, kde jsou koncentrace oxidu křemičitého husté.

Ve srovnání s jinými metaloidními materiály má křemík mnohem jednodušší a přímočařejší způsob čištění. Vzhledem k tomu, že oxid křemičitý je pouze kombinací křemíku a kyslíku, vše, co musíte udělat, je odstranit částice kyslíku a zbyde čistý křemík.

Proces spočívá v zavedení uhlíku s oxidem křemičitým v peci zahřáté až na 3 632 stupňů Fahrenheita (2 000 stupňů Celsia). Energie z tepla by rozbila křemík a kyslík. Na základě atomových struktur je pravděpodobnější, že se kyslík váže s uhlíkem, takže v procesu zůstává vysoce koncentrovaný křemík.

2. Křemík se používá k výrobě MOSFETů používaných ve zpracovatelských čipech

MOSFETy (metal-oxide-silicon field-effect-tranzistor) jsou ideálním typem tranzistorů pro výrobu procesorů a pamětí, jako jsou CPU, RAM, SSD a flash disky. Jak název napovídá, MOSFETy jsou vyrobeny z křemíku. Existuje několik vlastností MOSFETů, které z nich dělají ideální komponenty pro výrobu procesorových čipů. Patří sem:

• Energetická účinnost. Na rozdíl od jiných tranzistorů jsou MOSFETY řízeny napětím a nikoli proudem. S napětím ovládajícím hradlo a pouze minimálními množstvími proudu procházejícího tranzistorem se spotřebuje méně energie.
• Vysokofrekvenční přepínání. Použití pouze minimálního proudu pro zapínání a vypínání MOSFETů činí tyto typy tranzistorů ideálními pro vysokofrekvenční aplikace, jako jsou procesory.
• Nízké elektromagnetické rušení. Nízké proudy zabraňují MOSFETS produkovat elektromagnetické rušení, které může ovlivnit další součásti vedle nich. Bez obav z elektromagnetického rušení je inženýři dokázali zabalit do tak hustých formátů.
• Přírodní izolace. Křemík má vlastnosti, které dělají přirozeně se vyskytující izolaci. Dalším důvodem, proč mohou být MOSFETy zabaleny hustě, je jejich přirozeně se vyskytující izolace.
• Skvělé termální. Vysoké proudy zahřívají vodiče. Protože MOSFETy nespotřebovávají mnoho proudu, tolik se nezahřívají – pokud je samozřejmě nepřetaktujete.
• Přetaktovatelný. Běh s nízkou teplotou také znamená, že MOSFETy používané jako spínače mohou být mnohem více přiškrceny ve srovnání s jinými typy tranzistorů.

Se svými mnoha výhodami a aplikacemi jsou tranzistory MOSFETS volbou při výrobě součástek elektronických čipů, ale proč vůbec používat křemík k výrobě tranzistorů s efektem pole? Proč ne jiné prvky?

Při výrobě tranzistorů musí výrobci použít prvek s polovodivými vlastnostmi, jako je křemík. Polovodiče jsou metaloidy, které nejsou ani vodičem, ani izolantem. Stále dovolují, aby jimi procházel proud, jen velmi neefektivním způsobem.

Čistý křemík je přirozeně špatný vodič. Nicméně přidáním nečistot, jako je bór a fosfor, byli inženýři schopni změnit vodivé vlastnosti polovodiče, které umožňují tranzistorům přepínat z vodiče na izolátor, když je zavedeno napětí, podobně jako a přepínač.

Příbuzný: Čím jsou čipy Apple iPhone tak výjimečné?

3. Snadný výrobní proces

Ačkoli jiné polovodiče mají vlastnosti, které mohou vytvářet lepší tranzistory s efektem pole, křemík je stále preferovaným materiálem kvůli snadné výrobě. To znamená menší složitost, což znamená méně peněz vynaložených na speciální nástroje a další zpracování.

Jedním z hlavních důvodů, proč se s křemíkem snadněji pracuje, je jeho vysoký bod tání. Teplota tání křemíku je 2 570 stupňů Fahrenheita (1 410 stupňů Celsia). Materiál s vysokým bodem tání je nezbytný pro výrobu mikročipů, zvláště pokud implementují gate-last výroba, která zavádí falešnou bránu používanou jako zástupný symbol pro výrobu formy, kde má být skutečná aktivní brána nainstalováno.

Další vlastností, díky které se křemík snadněji vyrábí, je jeho přirozeně se vyskytující izolační vlastnost. Když je kyslík zaveden do horních křemíkových vrstev, tvoří vrstvu kov-oxid-křemík (Sklo). Sklo je vynikajícím izolantem i v tenkých vrstvách, což výrobcům umožňuje mít izolaci zdarma, což jim šetří spoustu nákladů a výrobního času.

Kromě toho, že je výroba křemíku levná, je také mnohem významnější než jakákoli jiná výroba polovodičů na trhu. Díky snadno dostupnému křemíku se výrobci nemusejí obávat, že by jim došly suroviny, se kterými by mohli pracovat, což opět ušetří čas a vyrobí více mikročipů, což znamená větší zisk.

Příbuzný: Co je to systém na čipu (SoC)?

Křemík je všude

Křemík je konečný polovodič, který umožnil našemu světu prosperovat a stát se technologickým gigantem, jakým je dnes. Je zodpovědná za umožnění určité technologie a je také důvodem, proč si většina světa může technologii užívat.

Přestože má křemík mnoho výrobních výhod, díky nimž je technologický průmysl ziskovější, z výroby křemíku těžíte i vy, spotřebitel. Elektronická zařízení, jako jsou chytré telefony, počítače, herní konzole, televize, CMOS kamery a všechna ostatní chytrá zařízení jsou cenově dostupná díky nízkým nákladům na suroviny a jednodušší výrobní.

Křemík je tak velkou součástí našeho života, že ironicky se oxid křemičitý (nečistý křemík) musí těžit z písčitého prostředí, zatímco čistý křemík lze nalézt po celé naší domácnosti.

Když Moorův zákon skončí: 3 alternativy k křemíkovým čipům

Moorův zákon diktoval tempo technologického rozvoje po celá desetiletí. Co se ale stane, když jsou dosaženy jeho fyzické limity?

Přečtěte si další

O autorovi