3 grunde til, at silicium er den ideelle halvleder til chipfremstilling

Mange af vores daglige elektroniske enheder er afhængige af transistorer på den ene eller anden måde. Transistorer er elektroniske komponenter, der bruges til at styre strømmen af ​​strøm, der passerer gennem en enhed. De fungerer som elektronisk styrede kontakter, der tænder og slukker, og giver binære signaler, som enheder kan bruge til at behandle data.

Som du kan forestille dig, er transistorer til stede i næsten alle elektroniske enheder, du bruger dagligt. Transistorer kan laves baseret på flere råmaterialer. Men producenter foretrækker at bruge silicium frem for ethvert andet materiale. Her er tre grunde til hvorfor.

1. Silicium er billigt

Silicium er det næststørste grundstof på jordskorpen efter ilt. Selvom rent silicium er sjældent, er materialer som silica (SiO2) let tilgængelige i almindelig visning på stranden eller andre sandede miljøer.

Du kunne normalt identificere silica på stranden som de skinnende korn, der funkler, når du håndterer sand på en solskinsdag.

Stranden er dog ikke et godt sted at købe silicium. Strandsand har alt for mange urenheder, at forholdet mellem silica og andre materialer ikke er ideelt. Producenter ville enten købe fra siliciumudbydere eller selv bryde materialerne på steder, hvor siliciumkoncentrationerne er tætte.

Sammenlignet med andre metalloidmaterialer har silicium en meget nemmere og ligetil måde at rense på. Da silica kun er silicium og ilt kombineret, er alt du skal gøre at fjerne iltpartiklerne, og du står tilbage med rent silicium.

Processen er at indføre kulstof med silicaen i en ovn opvarmet til 3.632 grader Fahrenheit (2.000 grader Celsius). Energien fra varmen ville bryde silicium og ilt fra hinanden. Baseret på atomare strukturer er det mere sandsynligt, at oxygen binder sig til kulstof, hvilket efterlader højt koncentreret silicium i processen.

2. Silicium bruges til at fremstille MOSFET'er, der bruges til at behandle chips

MOSFET'er (metal-oxid-silicon field-effect-transistor) er den ideelle type transistor til at lave processorer og hukommelse såsom CPU'er, RAM'er, SSD'er og flashdrev. Som navnet antyder, er MOSFET'er lavet af silicium. Der er flere kvaliteter af MOSFET, der gør dem til de ideelle komponenter til fremstilling af chips. Disse vil omfatte:

• Strømeffektivitet. I modsætning til andre transistorer styres MOSFETS af spænding og ikke strøm. Med spænding, der styrer porten og kun minimale mængder strøm, der passerer gennem transistoren, forbruges mindre energi.
• Højfrekvent omskiftning. Brug af kun minimal strøm til at tænde og slukke for MOSFET gør disse typer transistorer ideelle til højfrekvente applikationer som f.eks. processorer.
• Lav elektromagnetisk interferens. Lave strømme forhindrer MOSFET i at producere elektromagnetiske interferenser, der kan påvirke andre komponenter ved siden af. Uden at bekymre sig om elektromagnetisk interferens var ingeniører i stand til at pakke dem i så tætte formater.
• Naturlig isolering. Silicium har egenskaber, der gør naturligt forekommende isolering. En anden grund til, at MOSFET kan pakkes tæt, er gennem dens naturligt forekommende isolering.
• Fantastisk termik. Høje strømme gør ledere varme. Da MOSFET'er ikke bruger meget strøm, opvarmes de ikke så meget – medmindre du overclocker dem, selvfølgelig.
• Overclockbar. At køre med lav varme betyder også, at MOSFETS, der bruges som switches, kan drosles meget mere sammenlignet med andre typer transistorer.

Med sine mange fordele og anvendelser er MOSFETS den foretrukne transistor, når man laver elektroniske chipkomponenter, men hvorfor bruge silicium til at lave felteffekttransistorer i første omgang? Hvorfor ikke andre elementer?

Når man laver transistorer, skal producenterne bruge et element med halvledende egenskaber såsom silicium. Halvledere er metalloider, der hverken er en leder eller en isolator. De tillader stadig strøm at flyde gennem dem, bare på en meget ineffektiv måde.

Rent silicium er naturligvis en dårlig leder. Men ved at tilføje urenheder som bor og fosfor var ingeniører i stand til at ændre de ledende egenskaber af halvledere, der gør det muligt for transistorer at skifte fra leder til isolator, når der indføres spænding, ligesom en kontakt.

Relaterede: Hvad gør Apples iPhone-chips så specielle?

3. Nem fremstillingsproces

Selvom andre halvledere har egenskaber, der kan lave bedre felteffekttransistorer, er silicium stadig det foretrukne materiale på grund af dets lette fremstilling. Dette betyder mindre kompleksitet, hvilket betyder færre penge brugt på specialværktøj og ekstra forarbejdning.

En af hovedårsagerne til, at silicium er lettere at arbejde med, er på grund af dets høje smeltepunkt. Smeltepunktet for silicium er 2.570 grader Fahrenheit (1.410 grader Celsius). Et materiale med et højt smeltepunkt er afgørende for fremstilling af mikrochips, især hvis de implementerer gate-last fremstilling, som introducerer en attrapport, der bruges som pladsholder til at lave en form, hvor den faktiske aktive port skal være installeret.

En anden egenskab, der gør silicium lettere at fremstille, er dets naturligt forekommende isolerende egenskab. Når ilt indføres i de øverste siliciumlag, danner de et lag af metaloxid-silicium (Glas). Glas er en fremragende isolator selv i tynde lag, hvilket giver producenterne mulighed for at have gratis isolering, hvilket sparer dem for et væld af omkostninger og fremstillingstid.

Udover at være billig, er siliciumproduktion også meget mere betydningsfuld end nogen anden halvlederproduktion på markedet. Med silicium let tilgængeligt, behøver producenterne ikke at bekymre sig om at løbe tør for råmaterialer at arbejde med, hvilket igen sparer tid og laver flere mikrochips, hvilket betyder mere profit.

Relaterede: Hvad er et system på en chip (SoC)?

Silicium er overalt

Silicium er den ultimative halvleder, der gjorde det muligt for vores verden at blive velstående og være den teknologiske gigant, som den er i dag. Det er ansvarligt for at gøre visse teknologier mulige og er også grunden til, at størstedelen af ​​verden er i stand til at nyde teknologi.

Selvom silicium har mange produktionsfordele, der gør tech-industrien mere profitabel, har du som forbruger også gavn af siliciumfremstilling. Elektroniske enheder såsom smartphones, computere, spillekonsoller, fjernsyn, CMOS-kameraer og alle andre smarte enheder er gjort overkommelige på grund af de lave omkostninger til råvarer og lettere fremstilling.

Silicium er så stor en del af vores liv, at silicium (uren silicium) ironisk nok skal brydes fra sandede miljøer, mens rent silicium kan findes spredt over hele vores husstand.

Når Moores lov slutter: 3 alternativer til siliciumchips

Moores lov har dikteret tempoet i den teknologiske udvikling i årtier. Men hvad sker der, når dens fysiske grænser er nået?

Læs Næste

Om forfatteren