X'inhu l-aktar Semikonduttur Komuni? L-Istorja Wara Stranglehold tas-Silicon Fuq Elettronika Moderna

Imxi fi kwalunkwe laboratorju tal-elettronika u staqsi liema materjal iżomm lill-inġiniera impjegati, u tisma 'l-istess kelma kull darba. Silikon. Tant ilha t-tweġiba li l-mistoqsija bilkemm tissaqsi aktar. Reġjun sħiħ tal-Kalifornja jġorr ismu. L-akbar kumpaniji fid-dinja huma mibnija fuqha, litteralment u finanzjarjament. Iżda s-silikon ma wasalx f'din il-pożizzjoni għax xi ħadd iddeċieda li kien l-aħjar semikonduttur immaġinabbli. Wasal hemm permezz ta 'kombinazzjoni ta' kimika tajba, ħin ixxurtjat, u t-tip ta 'momentum industrijali li huwa kważi impossibbli li jitreġġa' lura ladarba jibda għaddej.

 

 

Semikondutturi

 

Ma Bediex Bil-Silikon

L-ewwel transistor ma kienx magħmul minn silikon. Meta Bardeen u Brattain wrew l-apparat tagħhom fil-Laboratorji Bell f'Diċembru 1947, il-materjal taħt il-kuntatti tad-deheb tagħhom kien il-ġermanju. Kien hemm raġunijiet tajbin għal dan. Ġermanju kien eħfef biex jippurifika għal-livelli li x-xogħol bikri tas-semikondutturi meħtieġa, u l-elettroni mċaqalqa minnu b'mod aktar ħieles milli permezz tas-silikon fil-vultaġġi li r-riċerkaturi kienu qed jużaw. Kieku kont fiżiku fl-1950 li għamilt imħatri fuq liema materjal jasal biex jiddomina l-industrija tal-elettronika, il-ġermanju ma kinitx tkun għażla mhux raġonevoli.

tilfet xorta waħda. U l-mod kif tilfet jgħid xi ħaġa importanti dwar kif fil-fatt tiżviluppa t-teknoloġija, li rari tkun tul it-triq li tidher l-aktar promettenti fil-bidu.

Id-difett fatali tal-Ġermanja kien termali. Il-bandgap tagħha tiltaqa 'f'0.67 elettron volt, dejqa biżżejjed li t-temperaturi li qed jogħlew ikkawżaw li l-apparati jnixxu l-kurrent b'modi li l-inġiniera ma setgħux jikkontrollaw faċilment. Poġġi transistor tal-ġermanju ġewwa biċċa hardware militari, jew ħdejn tubu tal-vakwu sħun, jew sempliċiment f'apparat li kien ilu jaħdem għal siegħa, u l-imġieba tiegħu tinbidel. Dik it-tip ta 'imprevedibbiltà hija tollerabbli f'laboratorju. Mhuwiex tollerabbli fi prodott.

 

Saff ta 'Ħġieġ Li Bidla Manifattura

Is-silikon għandu bandgap ta '1.1 elettron volt, li taha stabbiltà termali aħjar b'mod sinifikanti. L-apparati mibnija fuq is-silikon jistgħu jaħdmu b'mod affidabbli f'temperaturi li kkawżaw li l-ġermanju jġib ruħu ħażin. Dan waħdu seta’ kien biżżejjed biex inaqqas il-bilanċ. Iżda s-silikon kellu t-tieni vantaġġ li ħadd ma kien antiċipa bis-sħiħ, u rriżulta li kien importanti aktar minn kull ħaġa oħra.

Meta s-silikon ikun espost għall-ossiġnu jikber saff irqiq, iebes u uniformi ta 'dijossidu tas-silikon fuq il-wiċċ tiegħu. Id-dijossidu tas-silikon huwa elettrikament iżolanti, kimikament stabbli, u jeħel mas-silikon taħtu b'konsistenza li tista 'tiġi kkontrollata u ripetuta fuq wejfer kollu. Meta l-inġiniera fl-aħħar tas-snin ħamsin kienu qed jaħdmu kif jibnu transistors fuq wiċċ ċatt u wajerhom flimkien ma 'metall depożitat, dak is-saff ta' ossidu nattiv sar l-ingredjent essenzjali. Serva bħala l-barriera iżolanti bejn il-komponenti. Tista’ tkabbarha b’mod termali, inċiżi t-twieqi minnu bl-aċidu, tiddepożita saffi ġodda fuqu, u tagħmel dan kollu bi preċiżjoni biżżejjed biex tiddefinixxi karatteristiċi li l-għajn ma tistax tara.

Il-ġermanju m'għandux ossidu bħal dan. Id-dijossidu tal-ġermanju jinħall fl-ilma u jaqa 'barra fit-temperaturi li jeħtieġ l-ipproċessar tas-semikondutturi. Din ma kinitx problema solvuta b'inġinerija aħjar. Kienet proprjetà materjali, u effettivament skwalifikat il-ġermanju mill-proċess tal-manifattura li l-industrija kienet qed tikkonverġi fuqu.

Is-silikon rebaħ mhux purament minħabba dak li kien, iżda minħabba dak li għamel ġewwa ambjent ta 'fabbrikazzjoni. Il-proċess planari kien jeħtieġ materjal b'ossidu stabbli u li jista 'jkabbar. Is-silikon kellu wieħed. Kollox ieħor segwit minn dak.

 

Kif Jidher Disgħin Fil-mija tal-Wajfers tad-Dinja

Is-silikon issa jammonta għal aktar minn disgħin fil-mija tal-wejfers semikondutturi kollha prodotti globalment. Huwa s-sottostrat għall-proċessuri fil-laptop tiegħek, il-memorja fit-telefon tiegħek, is-sensor tal-immaġni fil-kamera tiegħek, it-transistors tal-qawwa fil-kontrollur tal-kompressur tal-friġġ tiegħek, u ċ-ċelloli solari li jmorru fuq numru dejjem jikber ta 'rooftops. Il-wisa 'tal-preżenza tagħha huwa diffiċli li tiġi eżaġerata.

Parti minn dak li jsostni dan huwa l-iskala industrijali taqwis. Impjant modern tal-fabbrikazzjoni tal-wejfer tas-silikon jiswa x'imkien bejn għaxar u għoxrin biljun dollaru biex jinbena, u kull għodda ġewwa fih, kull proċess kimiku, kull proċedura ta 'kontroll tal-kwalità, ġiet żviluppata u rfinuta matul għexieren ta' snin b'silikon speċifikament f'moħħu. Il-fotoreżisti huma fformulati għas-silikon. Il-kimiċi tal-inċiżjoni huma sintonizzati għas-silikon. L-inġiniera jafu silikon.

Dak li ħafna nies barra l-industrija ma jaħsbux dwaru hija l-infrastruttura ta 'appoġġ li tagħmel run fab. Il-manifattura tas-semikondutturi tiddependi fuq fluss mhux interrott ta 'ilma ultrapur, gassijiet tal-proċess, u etchants kimiċi aggressivi li jiċċaqalqu permezz ta' sistemi ta 'kunsinna kkontrollati bir-reqqa. Kull mogħdija tal-fluwidu f'fab, mill-loops ta 'l-ilma dejonizzat li laħlaħ il-wejfers bejn il-passi sal-linji li jġorru l-aċidu idrofluworiku għat-tneħħija ta' l-ossidu, teħtieġ komponenti li jistgħu jimmaniġġjaw midja korrużiva mingħajr ma tikkontamina l-proċess. Avalv tal-ballun tal-istainless steelhuwa wieħed mill-aktar punti ta 'kontroll komuni f'dawn is-sistemi, użat biex jiżola l-linji, jirregola l-fluss, u jippermetti manutenzjoni mingħajr ma jagħlaq linja sħiħa. L-istandards tal-indafa applikati għal dawn il-valvi f'ambjent ta 'semikondutturi huma konsiderevolment aktar eżiġenti milli f'ħafna industriji oħra, minħabba li anke l-kontaminazzjoni tal-metall traċċa minn twaħħil speċifikat ħażin tista' tħassar lott sħiħ tal-wejfer. Għal din ir-raġuni, inġiniera fab jittrattaw l-għażla ta ' kull valv tal-ballun ta ' l-istainless steel f'sistema ta ' konsenja kimika bl-istess serjetà li jġibu biex jispeċifikaw it-tagħmir tal-proċess, jirrevedu ċ-ċertifikazzjonijiet tal-materjal, l-istandards tal-finitura tal-wiċċ, u l-livelli ta ' kontaminanti estrabbli qabel ma valv wieħed jiġi installat fuq il-linja.

Dan huwa s-saff tal-industrija li rarament jidher fil-kopertura taċ-ċipep u l-fabbrikazzjoni, iżda huwa essenzjali daqs il-magni tal-litografija nfushom. Meta n-nies jitkellmu dwar il-katina tal-provvista tas-semikondutturi diffiċli biex tirreplika jew tirriloka, qed jitkellmu parzjalment dwar dan: l-ispeċifiċità akkumulata ta 'kull komponent fil-proċess, sal-fittings u l-ħardwer tal-kontroll tal-fluss ġewwa kabinett tal-konsenja kimika.

 

LEADTEK 2PC Stainless Steel Ball Valve

 

Il-Postijiet tas-Silikon Jiġri Barra mit-Triq

Is-silikon għandu limiti ġenwini, u f'ċerti applikazzjonijiet dawk il-limiti waqfu jkunu tħassib teoretiku u bdew ikunu problemi ta 'inġinerija reali.

Nitrur tal-gallju għandu bandgap ta '3.4 elettron volt, aktar minn tliet darbiet tas-silikon. Dak id-distakk usa 'jħalli li t-transistors GaN jimblokkaw vultaġġi ogħla, jaqilbu fi frekwenzi ogħla, u jxerrdu s-sħana b'mod aktar effettiv minn apparat tas-silikon ta' daqs komparabbli. Il-ċarġers veloċi li jibagħtu ma 'smartphones u laptops attwali jużaw transistors tal-qawwa GaN aktar milli dawk tas-silikon, u huwa għalhekk li jistgħu joqogħdu sittin jew mitt watt ta' kapaċità ta 'ċċarġjar f'xi ħaġa żgħira biżżejjed biex tinsa fil-but tal-ġakketta. Is-silikon ikollu bżonn apparat fiżikament akbar biex jagħmel l-istess xogħol bl-istess effiċjenza. L-amplifikaturi GaN huma wkoll ċentrali għall-infrastruttura tal-istazzjon bażi 5G, fejn il-limiti tal-frekwenza tas-silikon isiru limitu iebes aktar milli linja gwida artab.

Il-karbur tas-silikon għandu rwol simili f'livelli ta 'qawwa ogħla, partikolarment fejn it-tneħħija tas-sħana hija r-restrizzjoni li torbot. Il-konduttività termali tagħha hija bejn wieħed u ieħor tliet darbiet dik tas-silikon, li huwa importanti meta tkun qed tgħaddi mijiet ta 'kilowatts permezz tal-inverter ta' vettura elettrika. Diversi manifatturi ewlenin ċċaqalqu l-inverters tat-trazzjoni tagħhom minn IGBTs tas-silikon għal moduli tal-karbur tas-silikon, u l-kisbiet fl-effiċjenza kienu reali biżżejjed biex jidhru fil-figuri tal-firxa tas-sewqan.

Lil hinn minn dawn it-tnejn hemm materjali li jiġġeneraw interess konsiderevoli fir-riċerka iżda għadhom ma qasmux fil-produzzjoni mainstream. L-ossidu tal-gallju għandu bandgap li joqrob il-ħames elettron volt u karatteristiċi ta' tqassim teoretiku li jagħmluha utli f'applikazzjonijiet ta' vultaġġ għoli ħafna, iżda t-teknoloġija għat-tkabbir ta' wejfers ħielsa minn difetti-skala għadha qed tinħoloq. Il-mobilità tal-elettroni tal-Graphene hija teoretikament madwar mitejn elf ċentimetru kwadru kull volt-sekonda, numru li jitbaxxa l-erbatax-il mija tas-silikon, u r-riċerkaturi ilhom jindikaw dak in-numru għall-aħjar parti ta 'għoxrin sena filwaqt li transistors tal-grafene prattiċi li fil-fatt jikkompetu mas-silikon f'ċirkwit reali jibqgħu fil-biċċa l-kbira mhux milħuqa.

 

Il-Pożizzjoni Onesta

Is-silikon huwa s-semikonduttur l-aktar komuni, u se jibqa 'hekk għal aktar żmien milli l-biċċa l-kbira tan-nies li bħalissa qed jaħdmu fl-industrija se jkunu madwar biex jaraw. GaN u SiC mhumiex qed jissostitwixxu s-silikon b'mod wiesa '. Qed jirbħu l-irkejjen speċifiċi tas-suq fejn il-fiżika tas-silikon ġenwinament waqfet milli tkun adegwata, u s-silikon qed iċedi dawk il-kantunieri mingħajr ħafna ta 'ġlieda minħabba li l-ekonomija hemmhekk inbidel kontriha.

Dak li fil-fatt qed jinbidel hija xi ħaġa aktar sottili. Għal ħafna mill-istorja tal-industrija tas-semikondutturi, is-silikon ma kienx biss l-aktar materjal komuni. Kien il-materjal preżunt, il-punt tat-tluq għal kwalunkwe konverżazzjoni tad-disinn, l-inadempjenza li tlaqt biss minn meta kellek raġuni b'saħħitha mhux tas-soltu għaliha. Dik is-suppożizzjoni qed tillaxka fit-truf. Mhux tiġġarraf, ma titwaqqax, biss tillaxka. L-aktar semikonduttur komuni għadu silikon. L-iktar mistoqsija interessanti fil-materjali semikondutturi bħalissa hija fejn is-silikon ma jibqax it-tweġiba ovvja, u x'jimla l-ispazju li jħalli warajh.