Kas yra labiausiai paplitęs puslaidininkis? Istorija už silicio smaugimo šiuolaikinėje elektronikoje

Užeikite į bet kurią elektronikos laboratoriją ir paklauskite, kokia medžiaga leidžia dirbti inžinieriams, ir kiekvieną kartą išgirsite tą patį žodį. Silicis. Tai buvo atsakymas taip ilgai, kad klausimas beveik nebeužduodamas. Visas Kalifornijos regionas turi savo pavadinimą. Pažodžiui ir finansine prasme, tuo remiasi didžiausios pasaulio įmonės. Tačiau silicis nepateko į šią poziciją, nes kažkas nusprendė, kad tai geriausias puslaidininkis, kokį tik galima įsivaizduoti. Tai atsirado dėl geros chemijos, sėkmingo laiko ir tokio pramoninio impulso, kurio beveik neįmanoma pakeisti, kai jis pradeda veikti.

 

 

Puslaidininkis

 

Tai prasidėjo ne nuo silicio

Pirmasis tranzistorius nebuvo pagamintas iš silicio. Kai 1947 m. gruodžio mėn. Bardeenas ir Brattainas pademonstravo savo prietaisą „Bell Labs“, medžiaga po jų auksiniais kontaktais buvo germanis. Tam buvo gerų priežasčių. Germanis buvo lengviau išgryninamas iki tokio lygio, kokio reikėjo ankstyvam puslaidininkiniam darbui, o elektronai per jį judėjo laisviau nei per silicį, esant įtampai, kurią naudojo mokslininkai. Jei būtumėte buvęs fizikas 1950 m., statydamas statymą, kuri medžiaga dominuos elektronikos pramonėje, germanis nebūtų buvęs neprotingas pasirinkimas.

Vistiek pralaimėjo. Ir tai, kaip ji buvo prarasta, sako kai ką svarbaus apie tai, kaip iš tikrųjų vystosi technologija, kuri retai kada eina tuo keliu, kuris pradžioje atrodo perspektyviausias.

Lemtingas Germanio trūkumas buvo terminis. Jo juostos tarpas yra 0,67 elektrono volto, pakankamai siauras, kad dėl kylančios temperatūros prietaisai nutekėjo srovė, o inžinieriai negalėjo lengvai valdyti. Įdėkite germanio tranzistorių į karinės įrangos dalį, šalia šilto vakuuminio vamzdžio arba tiesiog į prietaisą, kuris veikė valandą, ir jo elgesys pasikeis. Toks nenuspėjamumas laboratorijoje yra toleruojamas. Produkte tai netoleruotina.

 

Stiklo sluoksnis, kuris pakeitė gamybą

Silicio juostos tarpas yra 1,1 elektrono volto, o tai suteikė jam reikšmingai geresnį šiluminį stabilumą. Įrenginiai, pagaminti iš silicio, gali patikimai veikti esant tokioms temperatūroms, dėl kurių germanis netinkamai elgėsi. Vien to galėjo pakakti pusiausvyrai pakeisti. Tačiau silicis turėjo antrą pranašumą, kurio niekas iki galo nenumatė, ir pasirodė, kad jis yra svarbesnis už bet ką kitą.

Kai silicį veikia deguonis, ant jo paviršiaus susidaro plonas, kietas, vienodas silicio dioksido sluoksnis. Silicio dioksidas yra elektrą izoliuojantis, chemiškai stabilus ir jungiasi su po juo esančiu siliciu tokiu konsistencija, kurią galima valdyti ir kartoti visoje plokštelėje. Kai šeštojo dešimtmečio pabaigoje inžinieriai sugalvojo, kaip ant lygaus paviršiaus pastatyti tranzistorius ir sujungti juos su nusodintu metalu, šis natūralus oksido sluoksnis tapo esminiu ingredientu. Jis tarnavo kaip izoliacinis barjeras tarp komponentų. Galite jį auginti termiškai, išgraviruoti langus rūgštimi, ant viršaus uždėti naujus sluoksnius ir visa tai daryti pakankamai tiksliai, kad būtų apibrėžtos akys nematomos savybės.

Germanis tokio oksido neturi. Germanio dioksidas ištirpsta vandenyje ir suyra tokioje temperatūroje, kuri reikalinga puslaidininkių apdorojimui. Tai nebuvo išspręsta problema naudojant geresnę inžineriją. Tai buvo materialinė savybė, kuri veiksmingai pašalino germanį iš gamybos proceso, prie kurio pramonė susiliejo.

Silicis laimėjo ne vien dėl to, kas jis buvo, bet dėl ​​to, ką jis padarė gamybos aplinkoje. Plokščiam procesui reikėjo medžiagos su stabiliu, augančiu oksidu. Silicis turėjo vieną. Visa kita sekė iš to.

 

Kaip atrodo devyniasdešimt procentų pasaulio vaflių

Dabar silicis sudaro daugiau nei devyniasdešimt procentų visų pasaulyje pagamintų puslaidininkinių plokštelių. Tai yra jūsų nešiojamojo kompiuterio procesorių, telefono atminties, fotoaparato vaizdo jutiklio, šaldytuvo kompresoriaus valdiklio galios tranzistorių ir saulės elementų, einančių ant vis daugiau stogų, pagrindas. Jos buvimo mastą sunku pervertinti.

Dalis to, kas tai palaiko, yra grynas pramoninis mastas. Šiuolaikinės silicio plokštelių gamybos gamyklos statyba kainuoja nuo dešimties iki dvidešimties milijardų dolerių, o kiekvienas joje esantis įrankis, kiekvienas cheminis procesas, kiekviena kokybės kontrolės procedūra buvo kuriama ir tobulinama dešimtmečius, turint omenyje būtent silicį. Fotorezistai yra sukurti siliciui. Odinimo chemija pritaikyta siliciui. Inžinieriai žino silicį.

Dauguma žmonių, nepriklausančių šiai pramonei, negalvoja apie palaikomąją infrastruktūrą, kuri leidžia puikiai veikti. Puslaidininkių gamyba priklauso nuo nenutrūkstamo itin gryno vandens, proceso dujų ir agresyvių cheminių ėsdinimo medžiagų srauto, judančio per kruopščiai kontroliuojamas tiekimo sistemas. Kiekvienam skysčių keliui gamykloje, pradedant dejonizuoto vandens kilpomis, kuriomis skalaujamos plokštelės tarp etapų, iki linijų, tiekiančių vandenilio fluoro rūgštį oksidui pašalinti, reikia komponentų, kurie galėtų susidoroti su korozinėmis terpėmis neužteršdami proceso. Anerūdijančio plieno rutulinis vožtuvasyra vienas iš labiausiai paplitusių valdymo taškų šiose sistemose, naudojamas linijoms izoliuoti, srautui reguliuoti ir atlikti techninę priežiūrą neišjungiant visos kilpos. Švaros standartai, taikomi šiems vožtuvams puslaidininkių aplinkoje, yra daug griežtesni nei daugelyje kitų pramonės šakų, nes net metalo užteršimas dėl prastai nurodytos jungties gali sugadinti visą plokštelių partiją. Dėl šios priežasties fab inžinieriai į kiekvieno nerūdijančio plieno rutulinio vožtuvo pasirinkimą cheminių medžiagų tiekimo sistemoje vertina taip pat rimtai, kaip nurodo proceso įrangą, peržiūri medžiagų sertifikatus, paviršiaus apdailos standartus ir pašalinamų teršalų lygius prieš įrengiant vieną vožtuvą linijoje.

Tai pramonės sluoksnis, kuris retai pasirodo lustų ir gamybos aprėptyje, tačiau jis yra toks pat svarbus kaip ir pačios litografijos mašinos. Kai žmonės kalba apie tai, kad puslaidininkių tiekimo grandinę sunku atkartoti ar perkelti, jie iš dalies kalba apie tai: sukauptą kiekvieno proceso komponento specifiškumą, iki jungiamųjų detalių ir srauto valdymo įrangos cheminių medžiagų tiekimo spintoje.

 

LEADTEK 2PC nerūdijančio plieno rutulinis vožtuvas

 

Vietose, kuriose silicis baigiasi

Silicis turi tikras ribas, o kai kuriose programose šios ribos nustojo būti teorinės ir tapo tikromis inžinerinėmis problemomis.

Galio nitrido juostos tarpas yra 3,4 elektronvoltai, daugiau nei tris kartus didesnis nei silicio. Šis platesnis tarpas leidžia GaN tranzistoriams blokuoti aukštesnes įtampas, perjungti aukštesniu dažniu ir efektyviau išsklaidyti šilumą nei panašaus dydžio silicio įtaisas. Su dabartiniais išmaniaisiais telefonais ir nešiojamaisiais kompiuteriais pristatomuose greituosiuose įkrovikliuose naudojami GaN galios tranzistoriai, o ne silicio, todėl juose galima sutalpinti šešiasdešimt ar šimtą vatų įkrovimo galios į pakankamai mažą daiktą, kurį galima pamiršti švarko kišenėje. Siliciui reikės fiziškai didesnio įrenginio, kad jis tą patį darbą atliktų tuo pačiu efektyvumu. GaN stiprintuvai taip pat yra pagrindiniai 5G bazinių stočių infrastruktūros elementai, kur silicio dažnio ribos tampa kietomis lubomis, o ne švelnia gaire.

Silicio karbidas atlieka panašų vaidmenį esant didesniam galios lygiui, ypač kai šilumos pašalinimas yra privalomas apribojimas. Jo šilumos laidumas yra maždaug tris kartus didesnis nei silicio, o tai svarbu, kai per elektromobilio keitiklį nukreipiate šimtus kilovatų. Keletas pagrindinių gamintojų savo traukos keitiklius iš silicio IGBT perkėlė į silicio karbido modulius, o efektyvumo padidėjimas buvo pakankamai realus, kad būtų parodytas važiavimo nuotolio skaičiais.

Be šių dviejų, yra medžiagų, kurios sukelia didelį susidomėjimą moksliniais tyrimais, bet dar nepateko į pagrindinę gamybą. Galio oksido pralaidumas artėja prie penkių elektronų voltų, o teorinės gedimo charakteristikos būtų naudingos labai aukštos įtampos įrenginiuose, tačiau technologija, leidžianti plokšti{1}}be defektų, vis dar kuriama. Teoriškai grafeno elektronų judrumas yra apie du šimtus tūkstančių kvadratinių centimetrų per voltą -sekundę, o tai yra mažiau nei keturiolika šimtų silicio, ir mokslininkai šį skaičių rodo jau dvidešimt metų, o praktiški grafeno tranzistoriai, kurie realiai konkuruoja su siliciu tikroje grandinėje, iš esmės nepasiekiami.

 

Sąžininga pozicija

Silicis yra labiausiai paplitęs puslaidininkis ir toks išliks ilgiau, nei matys dauguma šiuo metu pramonėje dirbančių žmonių. GaN ir SiC plačiai neišstumia silicio. Jie laimi konkrečius rinkos kampelius, kuriuose silicio fizika tikrai nustojo būti tinkama, o silicis tuos kampus užleidžia be didelės kovos, nes ten ekonomika pasisuko prieš jį.

Tai, kas iš tikrųjų keičiasi, yra kažkas subtilesnio. Didžiąją puslaidininkių pramonės istorijos dalį silicis buvo ne tik labiausiai paplitusi medžiaga. Tai buvo numanoma medžiaga, bet kokio dizaino pokalbio atspirties taškas, numatytoji nuostata, nuo kurios nukrypote tik tada, kai turėjote neįprastai svarią priežastį. Ta prielaida atsipalaiduoja kraštuose. Negriūva, nenuverčiama, tiesiog atsipalaiduoja. Labiausiai paplitęs puslaidininkis vis dar yra silicis. Šiuo metu įdomiausias puslaidininkinių medžiagų klausimas yra tai, kur silicis nustoja būti akivaizdus atsakymas ir kas užpildo erdvę, kurią jis palieka.