Apakah Semikonduktor Paling Biasa? Kisah Di Sebalik Pegangan Silikon Pada Elektronik Moden

Pergi ke mana-mana makmal elektronik dan tanya bahan yang membuat jurutera terus bekerja, dan anda akan mendengar perkataan yang sama setiap kali. silikon. Ia telah menjadi jawapan untuk sekian lama sehingga soalan itu hampir tidak ditanya lagi. Seluruh wilayah California membawa namanya. Syarikat terbesar di dunia dibina di atasnya, secara literal dan kewangan. Tetapi silikon tidak mencapai kedudukan ini kerana seseorang memutuskan ia adalah semikonduktor terbaik yang boleh dibayangkan. Ia sampai ke sana melalui gabungan kimia yang baik, masa yang bertuah, dan jenis momentum industri yang hampir mustahil untuk dibalikkan apabila ia berjalan.

 

 

Semikonduktor

 

Ia Tidak Bermula Dengan Silikon

Transistor pertama tidak diperbuat daripada silikon. Apabila Bardeen dan Brattain menunjukkan peranti mereka di Bell Labs pada Disember 1947, bahan di bawah sesentuh emas mereka adalah germanium. Terdapat sebab yang baik untuk ini. Germanium lebih mudah untuk ditulenkan ke tahap yang diperlukan oleh kerja semikonduktor awal, dan elektron bergerak melaluinya dengan lebih bebas daripada melalui silikon pada voltan yang digunakan penyelidik. Jika anda pernah menjadi ahli fizik pada tahun 1950 meletakkan pertaruhan pada bahan mana yang akan menguasai industri elektronik, germanium bukanlah pilihan yang tidak munasabah.

Ia kalah pula. Dan cara ia hilang mengatakan sesuatu yang penting tentang bagaimana teknologi sebenarnya berkembang, yang jarang sekali berada di sepanjang laluan yang kelihatan paling menjanjikan pada permulaannya.

Kecacatan maut Germanium ialah haba. Celah jalurnya berada pada 0.67 volt elektron, cukup sempit sehingga suhu yang meningkat menyebabkan peranti membocorkan arus dengan cara yang tidak dapat dikawal dengan mudah oleh jurutera. Letakkan transistor germanium di dalam sekeping perkakasan tentera, atau berhampiran tiub vakum hangat, atau hanya dalam peranti yang telah berjalan selama sejam, dan tingkah lakunya akan berubah. Ketidakpastian semacam itu boleh diterima di makmal. Ia tidak boleh diterima dalam produk.

 

Lapisan Kaca yang Mengubah Pembuatan

Silikon mempunyai celah jalur 1.1 volt elektron, yang memberikan kestabilan terma yang lebih bermakna. Peranti yang dibina pada silikon boleh berjalan dengan andal pada suhu yang menyebabkan germanium tidak berfungsi. Itu sahaja mungkin sudah cukup untuk mengimbangi keseimbangan. Tetapi silikon mempunyai kelebihan kedua yang tiada siapa yang jangkakan sepenuhnya, dan ternyata ia lebih penting daripada apa-apa lagi.

Apabila silikon terdedah kepada oksigen ia menumbuhkan lapisan silikon dioksida yang nipis, keras dan seragam pada permukaannya. Silikon dioksida adalah penebat elektrik, stabil secara kimia, dan terikat pada silikon di bawahnya dengan ketekalan yang boleh dikawal dan diulang merentasi keseluruhan wafer. Apabila jurutera pada penghujung 1950-an sedang mencari cara untuk membina transistor pada permukaan rata dan menghubungkannya dengan logam termendap, lapisan oksida asli itu menjadi bahan penting. Ia berfungsi sebagai penghalang penebat antara komponen. Anda boleh membesarkannya secara terma, menggores tingkap melaluinya dengan asid, mendepositkan lapisan baharu di atasnya dan melakukan semua ini dengan ketepatan yang cukup untuk menentukan ciri yang tidak dapat dilihat oleh mata.

Germanium tidak mempunyai oksida seperti itu. Germanium dioksida larut dalam air dan hancur pada suhu yang diperlukan oleh pemprosesan semikonduktor. Ini bukan masalah yang boleh diselesaikan dengan kejuruteraan yang lebih baik. Ia adalah harta material, dan ia secara berkesan membatalkan kelayakan germanium daripada proses pembuatan yang menjadi tumpuan industri.

Silikon menang bukan semata-mata kerana ia, tetapi kerana apa yang ia lakukan dalam persekitaran fabrikasi. Proses planar memerlukan bahan dengan oksida yang stabil dan boleh tumbuh. Silikon mempunyai satu. Segala-galanya diikuti daripada itu.

 

Bagaimana Rupa Sembilan Puluh Peratus Wafer Dunia

Silikon kini menyumbang lebih daripada sembilan puluh peratus daripada semua wafer semikonduktor yang dihasilkan di seluruh dunia. Ia adalah substrat untuk pemproses dalam komputer riba anda, memori dalam telefon anda, penderia imej dalam kamera anda, transistor kuasa dalam pengawal pemampat peti sejuk anda dan sel suria yang pergi ke peningkatan jumlah bumbung. Keluasan kehadirannya sukar untuk dilebih-lebihkan.

Sebahagian daripada apa yang mengekalkan ini adalah skala perindustrian semata-mata. Loji fabrikasi wafer silikon moden menelan belanja antara sepuluh hingga dua puluh bilion dolar untuk dibina, dan setiap alat di dalamnya, setiap proses kimia, setiap prosedur kawalan kualiti, telah dibangunkan dan diperhalusi selama beberapa dekad dengan mengambil kira silikon secara khusus. Photoresists dirumus untuk silikon. Kimia etch ditala untuk silikon. Jurutera tahu silikon.

Perkara yang tidak difikirkan oleh kebanyakan orang di luar industri ialah infrastruktur sokongan yang menjadikan ianya hebat. Pengilangan semikonduktor bergantung pada aliran air ultratulen yang tidak terganggu, gas proses dan bahan kimia agresif yang bergerak melalui sistem penghantaran yang dikawal dengan teliti. Setiap laluan bendalir dalam fab, daripada gelung air ternyahion yang membilas wafer antara langkah ke garisan yang membawa asid hidrofluorik untuk penyingkiran oksida, memerlukan komponen yang boleh mengendalikan media menghakis tanpa mencemarkan proses. Ainjap bola keluli tahan karatialah salah satu titik kawalan yang paling biasa dalam sistem ini, digunakan untuk mengasingkan talian, mengawal aliran dan membenarkan penyelenggaraan tanpa menutup keseluruhan gelung. Piawaian kebersihan yang digunakan pada injap ini dalam persekitaran semikonduktor adalah jauh lebih menuntut berbanding kebanyakan industri lain, kerana walaupun kesan pencemaran logam daripada pemasangan yang kurang dinyatakan boleh merosakkan keseluruhan kumpulan wafer. Atas sebab ini, jurutera fab merawat pemilihan setiap injap bola keluli tahan karat dalam sistem penghantaran bahan kimia dengan kesungguhan yang sama yang mereka bawa untuk menentukan peralatan proses, menyemak pensijilan bahan, piawaian kemasan permukaan dan tahap bahan cemar yang boleh diekstrak sebelum satu injap dipasang pada talian.

Ini adalah lapisan industri yang jarang muncul dalam liputan cip dan fabrikasi, tetapi ia sama pentingnya dengan mesin litografi itu sendiri. Apabila orang bercakap tentang rantaian bekalan semikonduktor yang sukar untuk direplikasi atau dipindahkan, mereka bercakap sebahagiannya tentang perkara ini: kekhususan terkumpul setiap komponen dalam proses, hingga ke kelengkapan dan perkakasan kawalan aliran di dalam kabinet penghantaran bahan kimia.

 

LEADTEK 2PC Injap Bebola Keluli Tahan Karat

 

The Places Silicon Run Out of Road

Silikon memang mempunyai had tulen, dan dalam aplikasi tertentu had tersebut telah berhenti menjadi kebimbangan teori dan mula menjadi masalah kejuruteraan sebenar.

Gallium nitride mempunyai celah jalur 3.4 volt elektron, lebih daripada tiga kali ganda silikon. Jurang yang lebih luas itu membolehkan transistor GaN menyekat voltan yang lebih tinggi, menukar pada frekuensi yang lebih tinggi dan menghilangkan haba dengan lebih berkesan daripada peranti silikon yang mempunyai saiz yang setanding. Pengecas pantas yang dihantar dengan telefon pintar dan komputer riba semasa menggunakan transistor kuasa GaN dan bukannya silikon, itulah sebabnya ia boleh memuatkan enam puluh atau seratus watt keupayaan pengecasan ke dalam sesuatu yang cukup kecil untuk dilupakan dalam poket jaket. Silikon memerlukan peranti yang lebih besar secara fizikal untuk melakukan kerja yang sama pada kecekapan yang sama. Penguat GaN juga merupakan pusat kepada infrastruktur stesen pangkalan 5G, di mana had kekerapan silikon menjadi siling keras dan bukannya garis panduan lembut.

Silikon karbida memainkan peranan yang sama pada tahap kuasa yang lebih tinggi, terutamanya di mana penyingkiran haba adalah kekangan yang mengikat. Kekonduksian termanya adalah kira-kira tiga kali ganda daripada silikon, yang penting apabila anda menghalakan ratusan kilowatt melalui penyongsang kenderaan elektrik. Beberapa pengeluar utama telah mengalihkan penyongsang daya tarikan mereka daripada IGBT silikon kepada modul karbida silikon, dan peningkatan kecekapan telah cukup nyata untuk ditunjukkan dalam angka jarak pemanduan.

Di sebalik kedua-dua ini terdapat bahan yang menjana minat penyelidikan yang besar tetapi masih belum menyeberang ke dalam pengeluaran arus perdana. Gallium oksida mempunyai celah jalur yang menghampiri lima volt elektron dan ciri pecahan teori yang akan menjadikannya berguna dalam aplikasi voltan yang sangat tinggi, tetapi teknologi untuk mengembangkan wafer bebas kecacatan-pada skala masih diusahakan. Mobiliti elektron Graphene secara teorinya adalah sekitar dua ratus ribu sentimeter persegi setiap volt-saat, nombor yang mengecilkan empat belas ratus silikon, dan penyelidik telah menunjukkan nombor itu selama lebih daripada dua puluh tahun manakala transistor graphene praktikal yang sebenarnya bersaing dengan silikon dalam litar sebenar masih jauh dari jangkauan.

 

Kedudukan yang Jujur

Silikon ialah semikonduktor yang paling biasa, dan ia akan kekal lebih lama daripada kebanyakan orang yang sedang bekerja dalam industri akan melihatnya. GaN dan SiC tidak menyesarkan silikon secara meluas. Mereka memenangi sudut tertentu pasaran di mana fizik silikon telah benar-benar berhenti menjadi mencukupi, dan silikon menyerahkan sudut tersebut tanpa banyak perjuangan kerana ekonomi di sana telah beralih menentangnya.

Apa yang sebenarnya berubah adalah sesuatu yang lebih halus. Bagi kebanyakan sejarah industri semikonduktor, silikon bukan sahaja bahan yang paling biasa. Ia adalah bahan yang diandaikan, titik permulaan untuk sebarang perbualan reka bentuk, lalai yang anda hanya tinggalkan apabila anda mempunyai alasan yang luar biasa kukuh untuk melakukannya. Andaian itu longgar di tepi. Bukan rebah, bukan digulingkan, hanya longgar. Semikonduktor yang paling biasa masih silikon. Soalan paling menarik dalam bahan semikonduktor sekarang ialah di mana silikon berhenti menjadi jawapan yang jelas, dan apa yang mengisi ruang yang ditinggalkannya.