Eng keng tarqalgan yarimo'tkazgich nima? Silikonning zamonaviy elektronika bo'g'ilishi ortidagi hikoya

Har qanday elektronika laboratoriyasiga kiring va qaysi material muhandislarni ish bilan ta'minlashini so'rang va siz har safar bir xil so'zni eshitasiz. Silikon. Bu shunchalik uzoq vaqtdan beri javob bo'ldiki, endi savol deyarli berilmaydi. Kaliforniyaning butun bir mintaqasi o'z nomini oldi. Dunyodagi eng yirik kompaniyalar tom ma'noda va moliyaviy jihatdan unga qurilgan. Ammo kremniy bu pozitsiyaga etib bormadi, chunki kimdir uni tasavvur qilish mumkin bo'lgan eng yaxshi yarimo'tkazgich deb qaror qildi. U yaxshi kimyo, omadli vaqt va sanoat sur'atining kombinatsiyasi orqali erishdi, uni yo'lga qo'ygandan keyin qaytarish deyarli mumkin emas.

 

 

Yarimo'tkazgich

 

Bu kremniy bilan boshlanmagan

Birinchi tranzistor kremniydan yasalmagan. 1947 yil dekabr oyida Bardin va Brattain o'zlarining qurilmalarini Bell laboratoriyasida namoyish qilganlarida, ularning oltin kontaktlari ostidagi material germaniy edi. Buning yaxshi sabablari bor edi. Germaniyni dastlabki yarimo'tkazgich ishini talab qiladigan darajada tozalash osonroq edi va elektronlar tadqiqotchilar foydalanadigan kuchlanishdagi kremniydan ko'ra erkinroq harakatlanardi. Agar siz 1950-yilda fizik bo'lganingizda, qaysi material elektronika sanoatida hukmronlik qilishi haqida o'ylaganingizda, germaniy asossiz tanlov bo'lmas edi.

Baribir yutqazdi. Va uning yo'qolishi texnologiyaning qanday rivojlanishi haqida muhim narsani aytadi, bu kamdan-kam hollarda boshida eng istiqbolli ko'rinadigan yo'lda bo'ladi.

Germaniumning halokatli nuqsoni termal edi. Uning tarmoqli diapazoni 0,67 elektron voltga to'g'ri keladi, shuning uchun haroratning ko'tarilishi qurilmalarni muhandislar osonlikcha boshqara olmaydigan oqim oqishiga olib keldi. Germaniy tranzistorini harbiy asbob-uskuna ichiga yoki issiq vakuum trubkasi yaqiniga yoki oddiygina bir soat davomida ishlaydigan qurilmaga qo'ying va uning harakati o'zgaradi. Laboratoriyada bunday oldindan aytib bo'lmaydigan narsaga chidash mumkin. Mahsulotda bunga toqat qilib bo'lmaydi.

 

Ishlab chiqarishni o'zgartirgan shisha qatlami

Silikon 1,1 elektron voltli tarmoqli oralig'iga ega, bu unga sezilarli darajada yaxshi termal barqarorlikni ta'minladi. Kremniyga qurilgan qurilmalar germaniyning noto'g'ri ishlashiga olib keladigan haroratlarda ishonchli ishlashi mumkin edi. Balansni o'zgartirish uchun buning o'zi kifoya edi. Ammo kremniyning hech kim to'liq kutmagan ikkinchi afzalligi bor edi va u hamma narsadan ko'ra muhimroq bo'lib chiqdi.

Kremniy kislorodga ta'sir qilganda, uning yuzasida nozik, qattiq, bir xil kremniy dioksid qatlami o'sadi. Silikon dioksid elektr izolyatsiyalovchi, kimyoviy jihatdan barqaror va uning ostidagi kremniy bilan butun gofret bo'ylab boshqarilishi va takrorlanishi mumkin bo'lgan mustahkamlik bilan bog'lanadi. 1950-yillarning oxirida muhandislar tranzistorlarni qanday qilib tekis yuzaga qurish va ularni cho'kilgan metall bilan birlashtirishni ishlab chiqishganida, bu tabiiy oksid qatlami asosiy tarkibiy qismga aylandi. Komponentlar orasidagi izolyatsion to'siq bo'lib xizmat qildi. Siz uni termal o'stirishingiz, derazalarni kislota bilan o'rashingiz, ustiga yangi qatlamlarni qo'yishingiz va bularning barchasini ko'z ko'rmaydigan xususiyatlarni aniqlash uchun etarlicha aniqlik bilan bajarishingiz mumkin.

Germaniyda bunday oksid yo'q. Germaniy dioksidi suvda eriydi va yarimo'tkazgichlarni qayta ishlash uchun zarur bo'lgan haroratlarda parchalanadi. Bu yaxshi muhandislik bilan hal qilinadigan muammo emas edi. Bu moddiy xususiyat edi va u germaniyni sanoat birlashayotgan ishlab chiqarish jarayonidan samarali ravishda mahrum qildi.

Silikon faqat nima bo'lganligi uchun emas, balki ishlab chiqarish muhitida qilgan ishlari tufayli g'alaba qozondi. Planar jarayon uchun barqaror, o'sadigan oksidi bo'lgan material kerak edi. Silikonda bittasi bor edi. Qolganlarning hammasi shundan kelib chiqdi.

 

Dunyodagi gofretlarning 90 foizi qanday ko'rinishga ega

Hozirda kremniy butun dunyo bo'ylab ishlab chiqarilgan yarimo'tkazgichli gofretlarning to'qson foizdan ortig'ini tashkil qiladi. Bu sizning noutbukingizdagi protsessorlar, telefoningizdagi xotira, kamerangizdagi tasvir sensori, muzlatgichingiz kompressor boshqaruvchisidagi quvvat tranzistorlari va tobora ko'payib borayotgan tomlarga chiqadigan quyosh batareyalari uchun substratdir. Uning mavjudligining kengligini ortiqcha baholash qiyin.

Buni qo'llab-quvvatlaydigan narsaning bir qismi sanoat ko'lamidir. Zamonaviy kremniy gofret ishlab chiqarish zavodi qurilishi o'ndan yigirma milliard dollargacha turadi va uning ichidagi har bir asbob, har bir kimyoviy jarayon, har bir sifat nazorati protsedurasi o'nlab yillar davomida maxsus kremniyni hisobga olgan holda ishlab chiqilgan va takomillashtirilgan. Fotorezistlar kremniy uchun ishlab chiqilgan. Etch kimyolari kremniy uchun sozlangan. Muhandislar kremniyni bilishadi.

Sanoatdan tashqarida bo'lganlarning ko'pchiligi bu ajoyib ishga tushirishni ta'minlaydigan qo'llab-quvvatlovchi infratuzilma haqida o'ylamaydi. Yarimo'tkazgichlarni ishlab chiqarish ehtiyotkorlik bilan boshqariladigan etkazib berish tizimlari orqali harakatlanadigan o'ta toza suv, texnologik gazlar va agressiv kimyoviy o'tkazgichlarning uzluksiz oqimiga bog'liq. Fabrikdagi har bir suyuqlik yo'li, zinapoyalar orasidagi gofretlarni yuvadigan deionizatsiyalangan suv halqalaridan oksidlarni olib tashlash uchun gidroftorik kislotani olib o'tadigan chiziqlargacha, jarayonni ifloslantirmasdan korroziy vositalar bilan ishlay oladigan komponentlarni talab qiladi. Azanglamaydigan po'latdan yasalgan shar valfibu tizimlardagi eng keng tarqalgan nazorat nuqtalaridan biri bo'lib, chiziqlarni izolyatsiya qilish, oqimni tartibga solish va butun tsiklni o'chirmasdan texnik xizmat ko'rsatishga ruxsat berish uchun ishlatiladi. Yarimo'tkazgichli muhitda ushbu klapanlarga qo'llaniladigan tozalik standartlari boshqa sanoat tarmoqlariga qaraganda ancha talabchan, chunki hatto noto'g'ri belgilangan armaturadan metallning izlari ifloslanishi ham butun gofret partiyasini buzishi mumkin. Shu sababli, fabrika muhandislari kimyoviy etkazib berish tizimidagi har bir zanglamaydigan po'latdan yasalgan sharli valfni tanlashga texnologik asbob-uskunalarni belgilashga, materiallar sertifikatlarini, sirtni tugatish standartlarini va bitta valf o'rnatilishidan oldin olinadigan ifloslantiruvchi moddalar darajasini ko'rib chiqishga bir xil jiddiylik bilan qarashadi.

Bu chiplar va ishlab chiqarishni yoritishda kamdan-kam uchraydigan sanoat qatlami, ammo bu litografiya mashinalarining o'zi kabi zarurdir. Odamlar yarimo'tkazgichlarni etkazib berish zanjirini takrorlash yoki ko'chirish qiyinligi haqida gapirganda, ular qisman bu haqda gapirishadi: jarayondagi har bir komponentning to'plangan o'ziga xosligi, kimyoviy etkazib berish shkafi ichidagi armatura va oqimni boshqarish apparatigacha.

 

LEADTEK 2PC zanglamaydigan po'latdan yasalgan sharli klapan

 

Silikon yo'ldan chiqib ketadigan joylar

Kremniyning haqiqiy chegaralari bor va ba'zi ilovalarda bu chegaralar nazariy tashvish bo'lishni to'xtatdi va haqiqiy muhandislik muammolari bo'la boshladi.

Galliy nitridining tarmoqli oralig'i 3,4 elektron voltni tashkil qiladi, bu kremniydan uch baravar ko'proq. Bu kengroq bo'shliq GaN tranzistorlariga yuqori kuchlanishlarni blokirovka qilish, yuqori chastotalarda almashish va issiqlikni taqqoslanadigan o'lchamdagi silikon qurilmaga qaraganda samaraliroq tarqatish imkonini beradi. Hozirgi smartfonlar va noutbuklar bilan birga keladigan tez zaryadlovchi qurilmalar kremniydan ko'ra GaN quvvatli tranzistorlardan foydalanadi, shuning uchun ular oltmish yoki yuz vatt quvvatga ega quvvatni ko'ylagi cho'ntagida unutib qo'yadigan darajada kichik narsaga sig'dira oladi. Xuddi shu ishni bir xil samaradorlik bilan bajarish uchun kremniyga jismonan kattaroq qurilma kerak bo'ladi. GaN kuchaytirgichlari, shuningdek, 5G tayanch stansiyasi infratuzilmasi uchun markaziy o'rinni egallaydi, bu erda silikon chastota chegaralari yumshoq ko'rsatma emas, balki qattiq shiftga aylanadi.

Silikon karbid yuqori quvvat darajalarida xuddi shunday rol o'ynaydi, ayniqsa issiqlikni olib tashlash majburiy cheklov bo'lgan joylarda. Uning issiqlik o'tkazuvchanligi kremniynikidan uch baravar ko'p, bu elektr transport vositasining inverteri orqali yuzlab kilovattlarni yo'naltirishda muhim ahamiyatga ega. Bir nechta yirik ishlab chiqaruvchilar o'zlarining tortish invertorlarini silikon IGBT-lardan kremniy karbid modullariga o'tkazdilar va samaradorlik o'sishi haydash diapazoni ko'rsatkichlarida namoyon bo'ladigan darajada real bo'ldi.

Bu ikkitadan tashqari, katta tadqiqot qiziqishini uyg'otadigan, ammo asosiy ishlab chiqarishga hali o'tmagan materiallar mavjud. Galliy oksidi besh elektron voltga yaqin boʻlgan tarmoqli oraligʻi va nazariy parchalanish xususiyatlariga ega, bu esa uni juda yuqori kuchlanishli ilovalarda foydali qilish imkonini beradi, ammo miqyosda nuqsondan xoli gofretlarni oʻstirish texnologiyasi hali ham ishlab chiqilmoqda. Grafenning elektron harakatchanligi nazariy jihatdan sekundiga ikki yuz ming kvadrat santimetrni tashkil etadi, bu ko‘rsatkich kremniyning o‘n to‘rt yuziga tengdir va tadqiqotchilar yigirma yildan beri bu raqamga ishora qilmoqdalar, shu bilan birga, haqiqiy zanjirda kremniy bilan raqobatlashadigan amaliy grafen tranzistorlari deyarli erishib bo‘lmaydi.

 

Halol pozitsiya

Kremniy eng keng tarqalgan yarimo'tkazgich bo'lib, u sanoatda ishlaydigan ko'pchilik odamlar ko'rganidan ko'ra ko'proq vaqt davomida shunday bo'lib qoladi. GaN va SiC kremniyni keng miqyosda almashtirmaydi. Ular bozorning o'ziga xos burchaklarida g'alaba qozonmoqdalar, bu erda kremniy fizikasi haqiqatan ham adekvat bo'lishni to'xtatdi va kremniy bu burchaklarni ko'p kurashsiz tark etmoqda, chunki u erda iqtisod unga qarshi o'zgargan.

Aslida o'zgaruvchan narsa yanada nozikroqdir. Yarimo'tkazgich sanoati tarixining ko'p qismida kremniy nafaqat eng keng tarqalgan material edi. Bu taxmin qilingan material, har qanday dizayn suhbati uchun boshlang'ich nuqta, siz faqat g'ayrioddiy sababga ega bo'lganingizda undan voz kechgansiz. Bu taxmin chekkalarda bo'shashmoqda. Yiqilmaslik, ag'darish emas, balki faqat bo'shashish. Eng keng tarqalgan yarimo'tkazgich hali ham kremniydir. Hozirda yarimo'tkazgichli materiallardagi eng qiziqarli savol - kremniy aniq javob bo'lishni to'xtatadigan joy va u qoldiradigan bo'shliqni nima to'ldiradi.