3 skäl till varför kisel är den idealiska halvledaren för chiptillverkning

Många av våra dagliga elektroniska enheter förlitar sig på transistorer på ett eller annat sätt. Transistorer är elektroniska komponenter som används för att styra strömflödet som passerar genom en enhet. De fungerar som elektroniskt styrda strömbrytare som slår på och av, och tillhandahåller binära signaler som enheter kan använda för att bearbeta data.

Som du kan föreställa dig finns transistorer i nästan alla elektroniska enheter du använder dagligen. Transistorer kan tillverkas baserat på flera råmaterial. Tillverkarna föredrar dock att använda kisel framför alla andra material. Här är tre skäl till varför.

1. Silikon är billigt

Kisel är det näst vanligaste grundämnet på jordskorpan efter syre. Även om rent kisel är sällsynt, är material som kiseldioxid (SiO2) lätt tillgängliga i osynlig vy på stranden eller andra sandiga miljöer.

Du kan vanligtvis identifiera kiseldioxid på stranden som de glänsande kornen som glittrar när du hanterar sand en solig dag.

Stranden är dock inte ett bra ställe att köpa kisel. Strandsand har alldeles för många föroreningar att förhållandet mellan kiseldioxid och andra material inte är idealiskt. Tillverkare skulle antingen köpa från kiselleverantörer eller själva bryta materialet på platser där kiseldioxidkoncentrationerna är täta.

Jämfört med andra metalloidmaterial har kisel ett mycket enklare och enkelt sätt att rena. Eftersom kisel bara är kisel och syre kombinerat, är allt du behöver göra att ta bort syrepartiklarna och du har rent kisel kvar.

Processen är att införa kol med kiseldioxiden i en ugn som värms upp till 3 632 grader Fahrenheit (2 000 grader Celsius). Energin från värmen skulle bryta isär kisel och syre. Baserat på atomära strukturer är det mer sannolikt att syre binder till kol, vilket lämnar högkoncentrerat kisel kvar i processen.

2. Kisel används för att tillverka MOSFETs som används vid bearbetning av chips

MOSFETs (metall-oxid-kisel fälteffekt-transistor) är den idealiska typen av transistorer för att göra processorer och minne som processorer, RAM, SSD och flash-enheter. Som namnet antyder är MOSFETs gjorda av kisel. Det finns flera kvaliteter hos MOSFETS som gör dem till de idealiska komponenterna för att tillverka chips. Dessa skulle inkludera:

• Effekteffektivitet. I motsats till andra transistorer styrs MOSFETS av spänning och inte ström. Med spänning som styr grinden och endast minimala mängder ström som passerar genom transistorn, förbrukas mindre energi.
• Högfrekvent växling. Genom att endast använda minimal ström för att slå PÅ och AV MOSFET gör dessa typer av transistorer idealiska för högfrekventa applikationer såsom på processorer.
• Låg elektromagnetisk störning. Låga strömmar hindrar MOSFET från att producera elektromagnetiska störningar som kan påverka andra komponenter bredvid den. Utan att oroa sig för elektromagnetiska störningar kunde ingenjörer paketera dem i så täta format.
• Naturlig isolering. Kisel har egenskaper som gör naturligt förekommande isolering. En annan anledning till att MOSFETS kan förpackas tätt är genom dess naturligt förekommande isolering.
• Fantastisk termik. Höga strömmar gör ledare varma. Eftersom MOSFET: er inte använder mycket ström, värms de inte upp lika mycket – om du inte överklocka dem, förstås.
• Överklockningsbar. Att köra med låg värme innebär också att MOSFETS som används som switchar kan strypas mycket mer jämfört med andra typer av transistorer.

Med sina många fördelar och tillämpningar är MOSFETS den bästa transistorn när man tillverkar elektroniska chipkomponenter, men varför använda kisel för att göra fälteffekttransistorer i första hand? Varför inte andra element?

När man tillverkar transistorer måste tillverkare använda ett element med halvledande egenskaper som kisel. Halvledare är metalloider som varken är en ledare eller en isolator. De tillåter fortfarande ström att flöda genom dem, bara på ett väldigt ineffektivt sätt.

Rent kisel är naturligtvis en dålig ledare. Men genom att tillsätta föroreningar som bor och fosfor kunde ingenjörer ändra de ledande egenskaperna hos halvledare, vilket gör att transistorer kan växla från ledare till isolator när spänning införs, ungefär som en växla.

Relaterad: Vad gör Apples iPhone-chips så speciella?

3. Enkel tillverkningsprocess

Även om andra halvledare har egenskaper som kan göra bättre fälteffekttransistorer, är kisel fortfarande det föredragna materialet på grund av dess enkla tillverkning. Detta innebär mindre komplexitet vilket leder till att mindre pengar spenderas på specialverktyg och extra bearbetning.

En av de främsta anledningarna till att kisel är lättare att arbeta med är på grund av dess höga smältpunkt. Smältpunkten för kisel är 2 570 grader Fahrenheit (1 410 grader Celsius). Ett material med hög smältpunkt är viktigt för tillverkning av mikrochips, speciellt om de implementerar gate-last tillverkning, som introducerar en dummy gate som används som platshållare för att göra en form där den faktiska aktiva grinden ska vara installerat.

En annan egenskap som gör att kisel är lättare att tillverka är dess naturligt förekommande isolerande egenskap. När syre införs i de översta kiselskikten bildar de ett skikt av metalloxid-kisel (Glas). Glas är en utmärkt isolator även i tunna lager, vilket gör att tillverkare kan ha gratis isolering, vilket sparar massor av kostnader och tillverkningstid.

Bortsett från att vara billig är kiselproduktion också mycket viktigare än någon annan halvledarproduktion på marknaden. Med kisel lättillgängligt behöver tillverkarna inte oroa sig för att få slut på råvaror att arbeta med, vilket återigen sparar tid och gör fler mikrochips, vilket leder till mer vinst.

Relaterad: Vad är ett system på ett chip (SoC)?

Kisel finns överallt

Kisel är den ultimata halvledaren som gjorde det möjligt för vår värld att bli välmående och vara den tekniska gigant som den är idag. Det är ansvarigt för att göra viss teknik möjlig och är också anledningen till att majoriteten av världen kan njuta av teknik.

Även om kisel har många tillverkningsfördelar som gör teknikindustrin mer lönsam, så drar även du som konsument nytta av kiseltillverkning. Elektronikenheter som smartphones, datorer, spelkonsoler, tv-apparater, CMOS-kameror och alla andra smarta enheter görs överkomliga på grund av den låga kostnaden för råvaror och enklare tillverkning.

Kisel är en så stor del av vårt liv att ironiskt nog måste kiseldioxid (orent kisel) brytas från sandiga miljöer, medan rent kisel finns utspridda över hela vårt hushåll.

När Moores lag tar slut: 3 alternativ till kiselchips

Moores lag har dikterat takten i den tekniska utvecklingen i decennier. Men vad händer när dess fysiska gränser nås?

Läs Nästa

Om författaren