3 dôvody, prečo je kremík ideálnym polovodičom na výrobu čipov

Mnohé z našich každodenných elektronických zariadení sa tak či onak spoliehajú na tranzistory. Tranzistory sú elektronické komponenty používané na riadenie toku prúdu prechádzajúceho cez zariadenie. Fungujú ako elektronicky riadené spínače, ktoré sa zapínajú a vypínajú a poskytujú binárne signály, ktoré môžu zariadenia použiť na spracovanie údajov.

Ako si viete predstaviť, tranzistory sú prítomné takmer v každom elektronickom zariadení, ktoré denne používate. Tranzistory môžu byť vyrobené na základe niekoľkých surovín. Výrobcovia však uprednostňujú použitie kremíka pred akýmkoľvek iným materiálom. Tu sú tri dôvody prečo.

1. Kremík je lacný

Kremík je po kyslíku druhým najrozšírenejším prvkom v zemskej kôre. Hoci čistý kremík je vzácny, materiály ako oxid kremičitý (SiO2) sú ľahko dostupné na pohľad na pláži alebo v iných piesočnatých prostrediach.

Oxid kremičitý na pláži môžete zvyčajne identifikovať ako lesklé zrná, ktoré sa trblietajú, keď manipulujete s pieskom za slnečného dňa.

Pláž však nie je dobrým miestom na získavanie kremíka. Plážový piesok má príliš veľa nečistôt, takže pomer oxidu kremičitého a iných materiálov nie je ideálny. Výrobcovia by buď nakupovali od dodávateľov kremíka, alebo by materiály ťažili sami na miestach, kde sú koncentrácie oxidu kremičitého husté.

V porovnaní s inými metaloidnými materiálmi má kremík oveľa jednoduchší a priamočiarejší spôsob čistenia. Keďže oxid kremičitý je kombináciou iba kremíka a kyslíka, stačí odstrániť častice kyslíka a zostane vám čistý kremík.

Proces spočíva v zavedení uhlíka s oxidom kremičitým do pece vyhriatej na 3 632 stupňov Fahrenheita (2 000 stupňov Celzia). Energia z tepla by rozbila kremík a kyslík. Na základe atómových štruktúr sa kyslík s väčšou pravdepodobnosťou viaže s uhlíkom, pričom v procese zostáva vysoko koncentrovaný kremík.

2. Kremík sa používa na výrobu MOSFETov používaných pri spracovaní čipov

MOSFET (metal-oxid-silicon field-effect-tranzistor) sú ideálnym typom tranzistorov na výrobu procesorov a pamätí, ako sú CPU, RAM, SSD a flash disky. Ako už názov napovedá, MOSFETy sú vyrobené z kremíka. Existuje niekoľko vlastností MOSFETov, ktoré z nich robia ideálne komponenty na výrobu procesorových čipov. Patria sem:

• Energetická účinnosť. Na rozdiel od iných tranzistorov sú MOSFETY riadené napätím a nie prúdom. S napätím ovládajúcim hradlo a len minimálnym množstvom prúdu prechádzajúceho tranzistorom sa spotrebuje menej energie.
• Vysokofrekvenčné prepínanie. Použitie iba minimálneho prúdu na zapnutie a vypnutie MOSFET robí tieto typy tranzistorov ideálnymi pre vysokofrekvenčné aplikácie, ako sú procesory.
• Nízke elektromagnetické rušenie. Nízke prúdy bránia MOSFETS produkovať elektromagnetické rušenie, ktoré môže ovplyvniť iné komponenty vedľa nich. Bez obáv z elektromagnetického rušenia ich inžinieri dokázali zabaliť do takýchto hustých formátov.
• Prirodzená izolácia. Kremík má vlastnosti, ktoré vytvárajú prirodzene sa vyskytujúcu izoláciu. Ďalším dôvodom, prečo môžu byť MOSFETy zabalené nahusto, je ich prirodzene sa vyskytujúca izolácia.
• Veľká termálna. Vysoké prúdy spôsobujú, že vodiče sú horúce. Pretože MOSFETy nespotrebúvajú veľa prúdu, nezohrievajú sa toľko – samozrejme, pokiaľ ich nepretaktujete.
• Pretaktovateľné. Prevádzka pri nízkej teplote tiež znamená, že MOSFETy používané ako spínače môžu byť v porovnaní s inými typmi tranzistorov priškrtené oveľa viac.

So svojimi mnohými výhodami a aplikáciami sú tranzistory MOSFETS preferovaným tranzistorom pri výrobe komponentov elektronických čipov, ale prečo vôbec používať kremík na výrobu tranzistorov s efektom poľa? Prečo nie iné prvky?

Pri výrobe tranzistorov musia výrobcovia použiť prvok s polovodivými vlastnosťami, ako je kremík. Polovodiče sú metaloidy, ktoré nie sú vodičom ani izolantom. Stále umožňujú prúdenie cez ne, len veľmi neefektívnym spôsobom.

Čistý kremík je prirodzene zlý vodič. Pridaním nečistôt, ako je bór a fosfor, však inžinieri dokázali zmeniť vodivé vlastnosti polovodičov, ktoré umožňujú tranzistorom prepínať z vodiča na izolátor, keď je privedené napätie, podobne ako a prepínač.

Súvisiace: Čím sú čipy pre iPhone od Apple také výnimočné?

3. Jednoduchý proces výroby

Hoci iné polovodiče majú vlastnosti, ktoré môžu vytvárať lepšie tranzistory s efektom poľa, kremík je stále preferovaným materiálom kvôli jeho ľahkej výrobe. To znamená menšiu zložitosť, čo znamená menej peňazí vynaložených na špeciálne nástroje a dodatočné spracovanie.

Jedným z hlavných dôvodov, prečo sa s kremíkom ľahšie pracuje, je jeho vysoká teplota topenia. Teplota topenia kremíka je 2 570 stupňov Fahrenheita (1 410 stupňov Celzia). Materiál s vysokým bodom topenia je nevyhnutný pre výrobu mikročipov, najmä ak sú implementované ako „gate-last“. výroba, ktorá predstavuje fiktívnu bránu používanú ako zástupný symbol na výrobu formy, kde má byť skutočná aktívna brána nainštalovaný.

Ďalšou vlastnosťou, vďaka ktorej sa kremík ľahšie vyrába, je jeho prirodzene sa vyskytujúca izolačná vlastnosť. Keď sa kyslík privedie do vrchných vrstiev kremíka, vytvoria vrstvu kov-oxid-kremík (Sklo). Sklo je vynikajúcim izolantom aj v tenkých vrstvách, čo umožňuje výrobcom mať bezplatnú izoláciu, čo im šetrí veľa nákladov a výrobného času.

Okrem toho, že výroba kremíka je lacná, je oveľa významnejšia ako akákoľvek iná výroba polovodičov na trhu. Vďaka ľahko dostupnému kremíku sa výrobcovia nemusia obávať, že by im došli suroviny na prácu, čím sa opäť šetrí čas a vyrába sa viac mikročipov, čo znamená väčší zisk.

Súvisiace: Čo je to systém na čipe (SoC)?

Kremík je všade

Kremík je konečný polovodič, ktorý umožnil nášmu svetu prosperovať a stať sa technologickým gigantom, akým je dnes. Je zodpovedný za umožnenie určitej technológie a je tiež dôvodom, prečo si väčšina sveta môže technológiu užívať.

Hoci kremík má mnoho výrobných výhod, vďaka ktorým je technologický priemysel ziskovejší, z výroby kremíka profitujete aj vy, spotrebiteľ. Elektronické zariadenia, ako sú smartfóny, počítače, herné konzoly, televízory, CMOS kamery a všetky ostatné inteligentné zariadenia sú cenovo dostupné vďaka nízkym nákladom na suroviny a jednoduchšie výroby.

Kremík je taká veľká časť nášho života, že, ironicky, oxid kremičitý (nečistý kremík) sa musí ťažiť z piesočnatého prostredia, zatiaľ čo čistý kremík nájdeme roztrúsený po celej našej domácnosti.

Keď sa skončí Moorov zákon: 3 alternatívy kremíkových čipov

Moorov zákon už desaťročia diktuje tempo technologického rozvoja. Čo sa však stane, keď sa dosiahnu jeho fyzické limity?

Prečítajte si ďalej

O autorovi