Dlaczego krzem jest wykorzystywany do produkcji mikroczipów?

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?

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.

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)