Кой е най-разпространеният полупроводник? Историята зад хватката на Silicon върху съвременната електроника

Влезте в която и да е лаборатория по електроника и попитайте кой материал поддържа работата на инженерите и ще чуете една и съща дума всеки път. Силиций. Това е отговорът толкова дълго, че въпросът вече почти не се задава. Цял регион на Калифорния носи неговото име. Най-големите компании в света са изградени върху него, буквално и финансово. Но силицийът не стигна до тази позиция, защото някой реши, че това е най-добрият полупроводник, който можете да си представите. Стигна се дотам чрез комбинация от добра химия, успешен момент и вид индустриална инерция, която е почти невъзможно да се обърне, след като започне.

 

 

полупроводник

 

Не започна със силиций

Първият транзистор не е направен от силиций. Когато Бардийн и Братейн демонстрират своето устройство в Bell Labs през декември 1947 г., материалът под техните златни контакти е германий. Имаше основателни причини за това. Германият беше по-лесен за пречистване до нивата, които ранните полупроводникови разработки изискваха, и електроните се движеха през него по-свободно, отколкото през силиция при напреженията, които изследователите използваха. Ако бяхте физик през 1950 г., залагащ кой материал ще доминира в електронната индустрия, германият нямаше да бъде неразумен избор.

Така или иначе се загуби. И начинът, по който се загуби, казва нещо важно за това как технологията всъщност се развива, което рядко е по пътя, който изглежда най-обещаващ в началото.

Фаталният недостатък на германия беше топлинен. Неговата ширина на лентата е 0,67 електронволта, достатъчно тясна, че повишаващите се температури накараха устройствата да изпускат ток по начини, които инженерите не можеха лесно да контролират. Поставете германиев транзистор във военна техника, или близо до гореща вакуумна тръба, или просто в устройство, което е работило един час, и поведението му ще се промени. Този вид непредсказуемост е поносим в лаборатория. Не се понася в продукт.

 

Слой стъкло, което промени производството

Силицият има ширина на лентата от 1,1 електронволта, което му дава значително по-добра термична стабилност. Устройствата, изградени върху силиций, могат да работят надеждно при температури, които причиняват неправилно поведение на германия. Само това можеше да е достатъчно, за да промени баланса. Но силицият имаше второ предимство, което никой не беше очаквал напълно, и се оказа, че има повече значение от всичко друго.

Когато силицийът е изложен на кислород, върху повърхността му се образува тънък, твърд и равномерен слой от силициев диоксид. Силициевият диоксид е електрически изолиращ, химически стабилен и се свързва със силиция под него с консистенция, която може да бъде контролирана и повторена в цяла пластина. Когато инженерите в края на 50-те години на миналия век разработваха как да изградят транзистори върху плоска повърхност и да ги свържат заедно с отложен метал, този естествен оксиден слой се превърна в основната съставка. Той служи като изолационна бариера между компонентите. Можете да го отглеждате термично, да гравирате прозорци през него с киселина, да нанасяте нови слоеве върху него и да правите всичко това с достатъчно прецизност, за да дефинирате характеристики, които окото не може да види.

Германият няма такъв оксид. Германиевият диоксид се разтваря във вода и се разпада при температурите, необходими за обработката на полупроводници. Това не беше разрешим проблем с по-добро инженерство. Това беше материално свойство и ефективно дисквалифицира германия от производствения процес, към който индустрията се сближаваше.

Силиконът спечели не само заради това, което беше, но и заради това, което направи в среда на производство. Равнинният процес се нуждаеше от материал със стабилен оксид, който може да се отглежда. Силиконът имаше такъв. От това следваше всичко останало.

 

Как изглеждат деветдесет процента от вафлите в света

Силицият сега представлява повече от деветдесет процента от всички полупроводникови пластини, произведени в световен мащаб. Това е основата за процесорите във вашия лаптоп, паметта във вашия телефон, сензора за изображения във вашия фотоапарат, силовите транзистори в контролера на компресора на вашия хладилник и слънчевите клетки, преминаващи към нарастващ брой покриви. Широчината на неговото присъствие е трудно да се надценява.

Част от това, което поддържа това, е чистият индустриален мащаб. Изграждането на модерен завод за производство на силициеви пластини струва някъде между десет и двадесет милиарда долара и всеки инструмент в него, всеки химичен процес, всяка процедура за контрол на качеството са разработени и усъвършенствани в продължение на десетилетия, специално за силиция. Фоторезистите са създадени за силиций. Химиката за ецване е настроена за силиций. Инженерите познават силиция.

Това, за което повечето хора извън индустрията не мислят, е поддържащата инфраструктура, която прави страхотна работа. Производството на полупроводници зависи от непрекъснатия поток от свръхчиста вода, технологични газове и агресивни химически ецващи вещества, движещи се през внимателно контролирани системи за доставка. Всеки флуиден път във фабрика, от контурите на дейонизираната вода, които изплакват пластините между стъпките до линиите, пренасящи флуороводородна киселина за отстраняване на оксиди, изисква компоненти, които могат да се справят с корозивни среди, без да замърсяват процеса. Асферичен кран от неръждаема стоманае една от най-често срещаните контролни точки в тези системи, използвана за изолиране на линии, регулиране на потока и позволяване на поддръжка, без да се изключва цяла верига. Стандартите за чистота, прилагани към тези вентили в полупроводникова среда, са значително по-взискателни, отколкото в повечето други индустрии, тъй като дори следи от метално замърсяване от лошо специфициран фитинг може да съсипе цяла партида пластини. Поради тази причина фабричните инженери се отнасят към избора на всеки сферичен кран от неръждаема стомана в система за доставяне на химикали със същата сериозност, която подхождат към спецификирането на технологичното оборудване, прегледа на сертификатите за материали, стандартите за повърхностно покритие и нивата на извличащи се замърсители, преди един вентил да бъде инсталиран на линията.

Това е слоят от индустрията, който рядко се появява в покритието на чипове и производство, но е толкова важен, колкото и самите литографски машини. Когато хората говорят, че веригата за доставки на полупроводници е трудна за възпроизвеждане или преместване, те говорят отчасти за това: натрупаната специфика на всеки компонент в процеса, до фитингите и хардуера за контрол на потока в шкаф за доставка на химикали.

 

LEADTEK 2PC Сферичен кран от неръждаема стомана

 

Местата, където силиконът е безпътен

Силицият има истински ограничения и в определени приложения тези ограничения са престанали да бъдат теоретични проблеми и са започнали да представляват реални инженерни проблеми.

Галиевият нитрид има ширина на лентата от 3,4 електронволта, повече от три пъти по-голяма от тази на силиция. Тази по-широка междина позволява на GaN транзисторите да блокират по-високи напрежения, да превключват при по-високи честоти и да разсейват топлината по-ефективно от силициево устройство със сравним размер. Бързите зарядни устройства, които се доставят с настоящите смартфони и лаптопи, използват GaN мощни транзистори, а не силициеви, поради което могат да поберат шестдесет или сто вата капацитет за зареждане в нещо достатъчно малко, за да го забравите в джоба на якето. Силиконът ще се нуждае от физически по-голямо устройство, за да върши същата работа при същата ефективност. GaN усилвателите също са централни за инфраструктурата на 5G базовата станция, където честотните ограничения на силикона се превръщат в твърд таван, а не в мека насока.

Силициевият карбид играе подобна роля при по-високи нива на мощност, особено когато отделянето на топлина е свързващото ограничение. Неговата топлопроводимост е приблизително три пъти по-голяма от тази на силиций, което има значение, когато насочвате стотици киловати през инвертора на електрическо превозно средство. Няколко големи производители преместиха своите тягови инвертори от силициеви IGBT към модули от силициев карбид и подобренията в ефективността бяха достатъчно реални, за да се покажат в цифрите за пробег.

Отвъд тези два има материали, които предизвикват значителен изследователски интерес, но все още не са преминали в масовото производство. Галиевият оксид има ширина на забранена лента, доближаваща се до пет електронволта, и теоретични характеристики на пробив, които биха го направили полезен в приложения с много високо напрежение, но технологията за отглеждане на-бездефектни пластини в мащаб все още се разработва. Подвижността на електроните на графена теоретично е около двеста хиляди квадратни сантиметра на волт-секунда, число, което заглушава силициевите хиляда и четиристотин, и изследователите сочат това число през по-голямата част от двадесет години, докато практичните графенови транзистори, които всъщност се конкурират със силиций в реална верига, остават до голяма степен недостъпни.

 

Честната позиция

Силицият е най-разпространеният полупроводник и ще остане такъв за по-дълго време, отколкото повечето хора, работещи в момента в индустрията, ще могат да видят. GaN и SiC не изместват силиция широко. Те печелят специфичните ъгли на пазара, където физиката на силиция наистина е спряла да бъде адекватна, и силицият отстъпва тези ъгли без много битка, защото икономиката там се е изместила срещу него.

Това, което всъщност се променя, е нещо по-фино. През по-голямата част от историята на полупроводниковата индустрия силицийът не е бил просто най-разпространеният материал. Това беше предполагаемият материал, отправната точка за всеки дизайнерски разговор, стандартът, от който се отклонявате само когато имате необичайно сериозна причина за това. Това предположение се разхлабва по краищата. Не се срутва, не се събаря, просто се разхлабва. Най-разпространеният полупроводник все още е силиций. Най-интересният въпрос в полупроводниковите материали в момента е къде силицийът престава да бъде очевидният отговор и какво запълва пространството, което оставя след себе си.