Почему кремний используется для изготовления микросхем?

В своем стремлении лучше понять, как работают компьютеры на глубоком уровне, я пришел к вопросу, почему именно кремний используется в микрочипах. Я всегда наивно полагал, что кремний обладает очень высоким электрическим сопротивлением и поэтому является хорошим материалом для сэндвичей с другими материалами с низким электрическим сопротивлением (т.е. золотом). И именно таким образом изготавливались микрочипы.

Проведя некоторые исследования, я понял, что ошибался и что кремний — это «полупроводник». Чтобы быть кратким, я просто пропущу и скажу, что не понимаю, что такое полупроводник и почему он хорош для изготовления микросхем. Я видел несколько объяснений, и они меня либо сбивали с толку, либо объяснения полностью противоречили друг другу, но основная суть в том, что полупроводник находится где-то между проводником и изолятором. Почему это полезно для создания интегральных схем?

Полупроводник — это материал, электрические свойства которого могут быть изменены добавлением к нему примесей (легирование), и его можно использовать для изготовления элементов схемы с различными сопротивлениями, пороговыми характеристиками напряжения и т. д., в зависимости от влияющих факторов, таких как приложенные электрические и магнитные поля. поля. Кремний дешев, вездесущ (обычный песок) и удобен, но германий и другие полупроводниковые материалы также используются там, где это необходимо.
То есть производитель использует эти примеси для создания путей, по которым может проходить электрический ток? Это правильно?
Не пути: это было бы больше похоже на печатную плату с медью в качестве путей. Реальное поведение материалов изменяется, например, увеличивается ток через переход база-эмиттер и увеличивается ток через переход коллектор-эмиттер, например, в транзисторе с биполярным переходом, если кремний с обеих сторон перехода соответствующим образом «легирован».
Извините, "пути", возможно, было неправильным словом. Я имел в виду, что, добавляя различные примеси, вы можете регулировать химические свойства кремния, тем самым контролируя, как электрический ток «протекает» через чип. Это правильно?
В целом верно, да.
Зачем минусовать этот вопрос? Я проголосовал за восстановление его до 0. Если вы собираетесь проголосовать против, оставьте отзыв, чтобы вопрос можно было улучшить.
Мне кажется достойный вопрос. Я также проголосовал.

Ответы (2)

Любой из ряда полупроводниковых материалов может использоваться и используется, действительно, первым транзистором был германиевый (Ge) транзистор. Настоящая причина, по которой Si настолько доминирует , сводится к 4 основным причинам (но № 1 является основной причиной):

1) Он образует оксид очень высокого качества, герметизирует поверхность с очень небольшим количеством точечных отверстий или зазоров. - это позволяет легче сделать полевой МОП-транзистор с зазором, поскольку SiO 2 образует изолирующий слой для затвора, - SiO 2 называют другом разработчиков микросхем.

2) Он образует очень прочный нитрид, Si 3 N 4 нитрид кремния образует непроницаемый изолятор с очень широкой запрещенной зоной. - используется для пассивации (герметизации) штампа. - это также используется для изготовления жестких масок и на других этапах процесса.

3) Si имеет очень хорошую ширину запрещенной зоны ~ 1,12 эВ, не слишком большую, чтобы комнатная температура не могла его ионизировать, и не настолько малую, чтобы иметь большой ток утечки.

4) образует очень хороший материал для ворот. Большинство современных полевых транзисторов, используемых в СБИС (вплоть до последних поколений), назывались MOSFET, но на самом деле в качестве материала затвора использовался кремний. Оказывается, некристаллический Si очень легко осаждается на поверхности и легко вытравливается с большой точностью.

По сути, успех Si — это успех MOSFET, который благодаря масштабированию и экстремальной интеграции стал движущей силой отрасли. МОП-транзисторы не так легко изготовить из других систем материалов, и вы не можете обеспечить такой же уровень интеграции в других полупроводниках.

GeO 2 - частично растворим

GaAs - не образует оксида

СО 2 - это газ

Полупроводники используются потому, что с помощью селективного загрязнения (называемого легирующими примесями) вы можете контролировать свойства материала и адаптировать его работу и рабочие механизмы.

Это отличный ответ.
+1, но я также думаю, что высокая доступность и низкая стоимость материала - еще одна веская причина.
Кремний уже был доминирующим полупроводниковым материалом до того, как широко использовались полевые транзисторы.
Еще одним преимуществом кремния по сравнению с альтернативами (такими как GaAs, который многие годы был «полупроводником будущего») является физическая надежность. Из того, что мне сказали, если вы сделаете 200-миллиметровую пластину GaAs, она, скорее всего, разобьется, если вы просто посмотрите на нее смешно. ) пластины, что делает GaAs намного более неэкономичным по сравнению с Si.

Чтобы обрисовать, почему полупроводник хорош для создания цепей, начните с того, что вы понимаете, что он находится между проводником и изолятором, и добавьте тот факт, что примеси (примеси) и другие виды обработки (оксидные слои) могут изменить его поведение, чтобы сделать части он ведет лучше, а другие части ведут хуже. Добавьте к этому тот факт, что электрические заряды притягиваются или отталкиваются друг от друга (противоположности притягиваются, как заряды отталкиваются).

Теперь представьте себе канал, по которому могут течь электроны, изолированный от проводящего слоя поблизости, напряжение на котором вы контролируете. Сделайте этот слой отрицательным, и его электрическое поле оттолкнет электроны в канале — даже через изолятор — остановив их вход в канал. Сделайте его положительным, и он привлечет электроны в канал от -ve терминала, откуда они смогут течь через него к +ve терминалу. Таким образом, вы можете контролировать протекание тока с помощью напряжения на изолированном слое.

Это полевой транзистор или полевой транзистор. - утепляющий слой называется воротами; клемма -ve называется истоком, а клемма +ve - стоком.

Поскольку электроны текут в канале, он называется N-канальным полевым транзистором (N для отрицательного).

Есть и другие устройства, которые вы можете построить на полупроводнике, с более глубоким пониманием, но, надеюсь, этого достаточно, чтобы показать основной принцип.

А почему кремний? Возможно, из дюжины возможных полупроводниковых материалов он особенно удобен и надежен, а также почти так же дешев, как песок (который в основном состоит из диоксида кремния).

Почему кремний используется для изготовления микросхем?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v