Почему кремний используется для изготовления микрочипов?

В своем стремлении лучше понять, как компьютеры работают на глубоком уровне, я пришел к вопросу о том, почему именно кремний используется в микрочипах. Я всегда наивно полагал, что кремний обладает очень высоким электрическим сопротивлением, и поэтому он является хорошим материалом для размещения других материалов с низким электрическим сопротивлением (например, золота). И именно так были изготовлены микрочипы.

После некоторых исследований я понял, что был неправ, а кремний - это «полупроводник». Для краткости я просто пройду вперед и скажу, что я не понимаю, что такое полупроводник и почему он хорош для изготовления микросхем. Я видел несколько объяснений, и они либо смутили меня, 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?

integrated-circuit chip-design

— Коул Роуленд
источник

Полупроводник - это материал, электрическое поведение которого может быть изменено добавляемыми в него примесями (легирование), и его можно использовать для изготовления элементов схемы с различными сопротивлениями, пороговыми характеристиками напряжения и т. Д., В зависимости от таких факторов, как применяемые электрические и магнитные поля. Кремний дешевый, вездесущий (обычный песок) и удобный, но германий и другие полупроводниковые материалы также используются там, где это необходимо.

— Аниндо Гхош

Таким образом, по сути, производитель использует эти примеси для создания путей, по которым может перемещаться электрический ток? Это верно?

— Коул Роуланд

Не дорожки: это было бы больше похоже на печатную плату с медными дорожками. Фактическое поведение материалов изменяется, например, увеличивается ток через переход база-эмиттер, а ток через переход коллектор-эмиттер увеличивается, например, в биполярном переходном переходе, если кремний по обе стороны от соединений надлежащим образом «легирован».

— Аниндо Гош

Извините, «пути», возможно, было неправильным словом. Я имел в виду, что, добавляя различные примеси, вы можете регулировать химические свойства кремния, контролируя тем самым, как электрический ток «протекает» через микросхему. Это верно?

— Коул Роулэнд

Зачем понижать этот вопрос? Я проголосовал, чтобы восстановить его до 0. Если вы собираетесь понизить голос, пожалуйста, оставьте отзыв, чтобы вопрос можно было улучшить.

— bhillam

Ответы:

Любой из ряда полупроводниковых материалов может быть и используется, действительно, первый транзистор был фактически германиевым (Ge) транзистором. настоящая причина, по которой Si доминирует, сводится к четырем основным причинам (но № 1 является основной причиной):

1) Он образует оксид очень высокого качества, уплотняет поверхность с очень небольшим количеством отверстий или щелей. - это позволяет легко создавать щелевой МОП-транзистор, поскольку SiO ₂ образует изолирующий слой для затвора, - SiO ₂ был назван другом разработчиков микросхем.

2) образует очень жесткий нитрид, Si ₃ N ₄ образует изолятор с очень высокой запрещенной зоной, который является непроницаемым. - это используется для пассивации (запечатывания) матрицы. - это также используется для создания жестких масок и на других этапах процесса

3) Si имеет очень хорошую запрещенную зону ~ 1,12 эВ, не слишком высокую, чтобы комнатная температура не могла его ионизировать, и не настолько низкую, чтобы иметь высокий ток утечки.

4) это 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 Si. Оказывается, что очень легко наносить некристаллический Si на поверхности, и он легко травится с большой точностью.

В основном успех Si - это успех MOSFET, который благодаря масштабированию и экстремальной интеграции стимулировал развитие отрасли. Mosfet не так легко изготовить в других системах материалов, и вы не можете добиться такого же уровня интеграции в других полупроцессорах.

GeO ₂ - частично растворим

GaAs - не образует оксид

CO ₂ - это газ

Полупроводники используются потому, что при селективном загрязнении (так называемые легирующие примеси) вы можете контролировать свойства материала и настраивать его работу и рабочие механизмы.

— заполнитель
источник

en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_device_fabrication

— sheetansh

Это отличный ответ.

— Ракетный магнит

+1, но я также думаю, что высокая доступность и низкая стоимость материала - еще одна веская причина.

— Кенни

Кремний уже был доминирующим полупроводниковым материалом до того, как FET стали широко использоваться.

— Олин Латроп

Еще одно преимущество кремния по сравнению с альтернативами (например, GaAs, который долгие годы был «полупроводником будущего») - это физическая устойчивость. Из того, что мне сказали, если бы вы сделали 200-миллиметровую пластину GaAs, она, вероятно, сломалась бы, если бы вы просто смешно на нее посмотрели. Это одна из причин, по которой фабрики GaAs застряли с гораздо меньшими размерами (3 "и 4"? ), что делает GaAs гораздо более неэкономичным по сравнению с Si.

— Фотон

Чтобы набросать, почему полупроводник хорош для создания цепей, начните с понимания того, что он находится между проводником и изолятором, и добавьте тот факт, что примеси (легирующие примеси) и другие виды обработки (оксидные слои) могут изменить свое поведение, чтобы сделать части это ведет лучше, и другие части ведут хуже. Добавьте тот факт, что электрические заряды притягивают или отталкивают друг друга (противоположности притягивают, как заряды отталкивают).

Теперь представьте канал, по которому могут течь электроны, изолированные от проводящего слоя поблизости, по которому вы управляете напряжением. Сделайте этот слой отрицательным, и его электрическое поле отталкивает электроны в канале - даже через изолятор - останавливая их попадание в канал. Сделайте его положительным, и он притягивает электроны в канал от терминала -ve, где они могут течь через него к терминалу + ve. Таким образом, вы можете контролировать поток тока с помощью напряжения на изолированном слое.

Это полевой транзистор или полевой транзистор. - изолированный слой называется затвором; терминал -ve называется источником, а терминал + ve является стоком.

Поскольку электроны текут в канале, это называют NET каналом FET (N для Отрицательного)

Существуют и другие устройства, которые вы можете построить на полупроводнике, с большей глубиной понимания, но, надеюсь, этого достаточно, чтобы показать основной принцип.

А почему кремний? Из десятка возможных полупроводниковых материалов он особенно удобен и надежен, а также почти так же дешев, как песок (в основном это диоксид кремния).

— Брайан Драммонд
источник