Как называется миниатюрный компьютер, все части которого размещены на едином кристалле кремния

Обновлено: 03.07.2024

Полупроводниковый чип – это электрическая цепь, состоящая из множества компонентов, таких как транзисторы и проводка, сформированная на полупроводниковой пластине. Электронное устройство, содержащее множество этих компонентов, называется «интегральной схемой (ИС)». Компоновка компонентов создается на фотошаблоне (сетке) с помощью компьютера и проецируется на полупроводниковую пластину в ходе производственных процессов, описанных ниже.

1) Обработка пластин

Монокристалл кремния и кремниевые пластины

В процессе производства ИС электронные схемы с такими компонентами, как транзисторы, формируются на поверхности кремниевой кристаллической пластины.
Основы формирования ИК

Тонкопленочный слой, который будет формировать проводку, транзисторы и другие компоненты, наносится на пластину (осаждение).
Тонкая пленка покрыта фоторезистом. Рисунок схемы фотошаблона (сетки) затем проецируется на фоторезист с использованием технологии фотолитографии.
Проявленный фоторезист используется в качестве маски для травления тонкой пленки для придания формы проводке и другим компонентам.

При этом формируется один слой схемы. Транзисторы формируются на самом нижнем слое. Затем аналогичный процесс повторяется, и множество слоев цепей формируются друг над другом.

При использовании этого веб-сайта включите JavaScript в настройках браузера.

Чтобы прочитать флэш-файл,
на вашем компьютере должен быть установлен Adobe® Flash® Player.

Кремниевая подложка (пластина)

В процессе создания интегральной схемы есть этапы проверки и измерения, чтобы проверить, изготовлены ли шаблоны так, как задумано. При обнаружении дефектов производство будет остановлено для устранения дефектов из процесса и внесения небольших изменений в условия изготовления в целях исправления. На одной пластине изготавливается более сотни полупроводниковых кристаллов. В настоящее время самая большая кремниевая пластина имеет диаметр 300 мм. Производители полупроводников рассматривают кремниевые пластины диаметром 450 мм для использования в будущем.

2) Внешний и внутренний процессы

Полупроводниковые устройства завершаются через предварительный процесс (операция обработки пластины) и внутренний процесс (процесс сборки), описанные ниже.
(В следующем описании процесса изготовления элемента очень небольшая площадь поверхности пластины увеличена и показана схематически.)

Внешний и внутренний процессы
Увеличьте изображение.

Готовые полупроводниковые устройства использовались в различных продуктах, таких как персональные компьютеры, смартфоны и автомобили, в повседневной жизни (см. также «Полупроводники в повседневной жизни»).

Чтобы прочитать флэш-файл, на вашем компьютере должен быть установлен Adobe® Flash® Player.

Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Если у вас есть какие-либо вопросы, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам.

Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.

< бр />

интегральная схема (ИС), также называемая микроэлектронной схемой, микрочипом или микросхемой, совокупность электронных компонентов, изготовленных как единое целое, в котором миниатюризированы активные устройства (например, транзисторы и диоды) и пассивные устройства (например, конденсаторы). и резисторы), а их соединения построены на тонкой подложке из полупроводникового материала (обычно кремния). Таким образом, результирующая схема представляет собой небольшой монолитный «чип», размер которого может составлять всего несколько квадратных сантиметров или всего несколько квадратных миллиметров. Отдельные компоненты схемы обычно имеют микроскопические размеры.

Истоком интегральных схем стало изобретение транзистора в 1947 году Уильямом Б. Шокли и его командой из Bell Laboratories Американской телефонной и телеграфной компании. Команда Шокли (включая Джона Бардина и Уолтера Х. Браттейна) обнаружила, что при определенных обстоятельствах электроны образуют барьер на поверхности некоторых кристаллов, и они научились контролировать поток электричества через кристалл, манипулируя этим барьером. Управление потоком электронов через кристалл позволило команде создать устройство, которое могло бы выполнять определенные электрические операции, такие как усиление сигнала, которые ранее выполнялись электронными лампами. Они назвали это устройство транзистором от сочетания слов transfer и resistor. Изучение методов создания электронных устройств с использованием твердых материалов стало называться твердотельной электроникой.Твердотельные устройства оказались намного прочнее, с ними проще работать, они надежнее, меньше и дешевле, чем электронные лампы. Используя те же принципы и материалы, инженеры вскоре научились создавать другие электрические компоненты, такие как резисторы и конденсаторы. Теперь, когда электрические устройства можно было делать такими маленькими, самой большой частью схемы была неудобная проводка между устройствами.

Первый транзистор, изобретенный американскими физиками Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли.

Как Интернет перемещает информацию между компьютерами? Какая операционная система сделана Microsoft? Войдите в этот тест и проверьте свои знания о компьютерах и операционных системах.

Узнайте больше об ICL 2966, мейнфрейме, использующем технологию интегральных схем, который был произведен в Великобритании в 1980-х годах.

В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments, Inc. и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor Corporation независимо друг от друга придумали способ дальнейшего уменьшения размера схемы. Они прокладывали очень тонкие дорожки из металла (обычно из алюминия или меди) прямо на том же куске материала, что и их устройства. Эти маленькие дорожки действовали как провода. С помощью этого метода вся схема может быть «интегрирована» в единый кусок твердого материала и таким образом создана интегральная схема (ИС). ИС могут содержать сотни тысяч отдельных транзисторов на одном куске материала размером с горошину. Работать с таким количеством электронных ламп было бы нереально неудобно и дорого. Изобретение интегральной схемы сделало возможными технологии информационного века. В настоящее время интегральные схемы широко используются во всех сферах жизни: от автомобилей до тостеров и аттракционов в парках развлечений.

Основные типы ИС

Аналоговые и цифровые схемы

Аналоговые, или линейные, схемы обычно содержат всего несколько компонентов и поэтому являются одними из самых простых типов ИС. Как правило, аналоговые схемы подключаются к устройствам, которые собирают сигналы из окружающей среды или отправляют сигналы обратно в окружающую среду. Например, микрофон преобразует изменчивые звуки голоса в электрический сигнал переменного напряжения. Затем аналоговая схема модифицирует сигнал каким-либо полезным образом, например, усиливая его или фильтруя нежелательные шумы. Затем такой сигнал можно было бы подать обратно в громкоговоритель, который воспроизвел бы тоны, первоначально улавливаемые микрофоном. Другим типичным применением аналоговой схемы является управление некоторым устройством в ответ на постоянные изменения в окружающей среде. Например, датчик температуры посылает переменный сигнал на термостат, который можно запрограммировать на включение и выключение кондиционера, обогревателя или духовки, когда сигнал достигает определенного значения.

Цифровая схема, с другой стороны, предназначена для приема только напряжений определенных заданных значений. Схема, которая использует только два состояния, известна как двоичная схема. Схема с двоичными величинами, «включено» и «выключено», представляющими 1 и 0 (т. е. истинное и ложное), использует логику булевой алгебры. (Арифметика также выполняется в двоичной системе счисления с использованием булевой алгебры.) Эти основные элементы объединяются в конструкции ИС для цифровых компьютеров и связанных с ними устройств для выполнения желаемых функций.

Это может показаться глупым вопросом, на который можно ответить всего несколькими короткими словами: кремний — это 14-й элемент периодической таблицы. Это один из фундаментальных компонентов Вселенной, на один протон тяжелее алюминия и на один протон легче фосфора. Тем не менее кремний чаще, чем любой другой элемент, слишком часто упоминается на таких сайтах, как ExtremeTech — это основной компонент строительных материалов, из которых состоит ваш дом, это основа всех современных компьютерных процессоров и даже самый вероятный кандидат на роль инопланетной жизни, не основанной на углероде. Что именно делает кремний таким особенным?

Ну, много всего.

Кремний как строительный элемент

Главной отличительной чертой кремния является то, что его чертовски много. После кислорода это второй по распространенности элемент в земной коре, но не ожидайте найти его просто так.Кремний почти никогда не встречается в чистом виде в природе и практически всегда встречается в виде соединения с другими элементами. Чаще всего он встречается в виде силиката (SiO₄, или один атом кремния, связанный с четырьмя атомами кислорода) и кремнезема (SiO₂, или один атом кремния, связанный с двумя атомами кислорода). ). Кремнезем в грубой и сильно загрязненной форме является основным компонентом песка. Полевой шпат, гранит, кварц и другие материалы основаны на соединениях кремния и кислорода.

Смешайте это с водой и гравием, и вы получите бетон.

Соединения кремния обладают широким спектром полезных свойств, главным образом потому, что они могут очень прочно связывать другие атомы и образовывать сложные структуры. Различные силикаты, такие как силикат кальция, являются основным компонентом портландцемента, основного связующего вещества в бетоне, растворе и даже штукатурке. Некоторые материалы, богатые силикатами, можно нагревать для производства закаленной керамики, такой как фарфор, в то время как другие сплавляются, образуя основную форму стекла в мире, натриево-известковое стекло. Кроме того, кремний можно использовать в качестве следовой добавки к другим веществам, например к чугуну, в котором используются как углерод, так и кремний, чтобы сделать железо более упругим и менее хрупким.

И да, кремний также является основным структурным компонентом синтетического материала силикона, но не путайте их — если это действительно была Силиконовая долина, то мир технологий сильно отличался от того, что мы видим сегодня.

Кремний как компьютерный чип

При выборе элемента для использования в качестве основы компьютерного транзистора ключевым словом является сопротивление. Проводники имеют низкое сопротивление и очень легко пропускают электрический ток, в то время как изоляторы имеют (предсказуемо) высокое сопротивление и замедляют или блокируют поток электронов. Для транзистора, который должен иметь возможность включаться и выключаться по желанию, нам требуется полупроводник, вещество с сопротивлением между сопротивлением проводника и изолятора. Лучшие полупроводники для промышленности можно обрабатывать широким спектром «примесей», чтобы точно регулировать их сопротивление по мере необходимости.

Кристалл чистого кремния, называемый слитком.

Кремний — не единственное полупроводниковое вещество на Земле. Это даже не лучший полупроводник на Земле. Что это такое, так это самый распространенный полупроводник на Земле. Кремний легко доступен во всем мире; вам не нужно импортировать его из специальных африканских шахт или проводить месяцы дорогостоящей и загрязняющей окружающую среду обработки только для того, чтобы получить его. С ним легко работать, и, что самое главное, ученые придумали надежные способы выращивания его в идеально упорядоченные кристаллы. Эти кристаллы относятся к кремнию так же, как алмаз к углероду.

Выращивание огромных, почти идеальных кристаллов кремния — один из основных навыков в производстве современных компьютерных микросхем. Эти кристаллы затем нарезаются на тонкие пластины, затем гравируются, обрабатываются и обрабатываются иногда сотнями различных способов, прежде чем они нарезаются на отдельные кристаллы и упаковываются в коммерческие процессоры. Можно делать превосходные транзисторы из таких материалов, как углерод, и даже из более экзотических материалов, таких как германий, но ни один из них не позволяет массовое производство кремния путем выращивания крупных кристаллов — по крайней мере, пока.

В настоящее время кристаллы кремния (называемые слитками) производятся в цилиндрах диаметром 300 мм, но исследования быстро приближаются к порогу в 450 мм. Это должно помочь снизить производственные затраты и, таким образом, позволить скорости продолжать расти, по крайней мере, в течение еще одного десятилетия или около того. После этого? Возможно, в конце концов у вас не останется иного выбора, кроме как отказаться от кремния в пользу чего-то менее распространенного и простого в работе — хорошая новость для скорости обработки, но почти наверняка плохая новость для вашего кошелька.

Кремний как инопланетная жизнь

Фраза «жизнь, основанная на углероде» часто используется, но что она означает на самом деле? Это означает, что основные структурные молекулы, составляющие наши тела (белки, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, жирные кислоты и т. д.), построены на скелетах атомов углерода. Это потому, что углерод обладает замечательным свойством быть «четырехвалентным». Кислород может одновременно образовывать только две устойчивые химические связи (что приводит к образованию воды, или H₂O), а азот только три (что приводит к аммиаку, или NH₃) , но углерод может стабильно удерживать до четырех различных атомов одновременно (что дает нам метан или CH₄). Тетравалентность — мощная основа для создания прочных и геометрически сложных молекул, и этот дуэт химических достоинств позволил развиться всей жизни, известной в настоящее время во Вселенной.

Хорта из «Звездного пути» предположительно сделан на основе кремния.

Тем не менее, если мы знаем, как устроена Периодическая таблица, мы знаем, что элементы в вертикальном столбце имеют схожие химические свойства, а прямо под углеродом находится кремний.Вот почему авторы научной фантастики потратили так много времени и чернил на идею жизни на основе кремния; будучи четырехвалентным, кремний является наиболее вероятным альтернативным структурным элементом в совершенно новых формах жизни. Кремний также счастлив крепко связываться с другими атомами кремния (точно так же, как углерод с углеродом) и, таким образом, может дважды зафиксировать определенные конформации на месте. Предполагается, что и то, и другое имеет решающее значение для развития жизни.

Конечно, поскольку кремния на Земле гораздо больше, чем углерода, должна быть причина того, что мы органические (на основе углерода), а не на основе кремния, и эта причина восходит к Периодической таблице. Не вдаваясь в подробности, отметим, что элементы, находящиеся вертикально ниже в Периодической таблице, имеют более тяжелые ядра и более крупные электронные оболочки; кремний физически больше и тяжелее углерода, что делает его менее подходящим для сверхтонких задач, таких как, например, рекомбинантная ДНК. Кремний также менее активен, чем углерод, а это означает, что жизнь на основе кремния может быть менее разнообразной в химическом отношении или требовать гораздо более широкого набора кремниевых ферментов, запускающих реакции, для создания химически менее желательных соединений.

Тот факт, что вся жизнь на Земле является органической, несмотря на то, что количество атомов кремния на планете превышает количество атомов углерода почти в тысячу раз, может указывать на то, насколько вероятно, что это может произойти где-то еще во Вселенной. Здесь есть множество видов, которые в той или иной степени используют кремний, но ни один из них не использует его в качестве структурного элемента ДНК. Жизнь на основе кремния, безусловно, возможна, но если она действительно существует, есть большая вероятность, что она никогда не сможет развиться до уровня сложности, который позволил углерод прямо здесь, дома.

Кремний и вы

Кремний будет появляться в вашей ленте новостей еще много лет. Несмотря на то, что некоторые рассматривают углерод и другие некремниевые элементы как платформу для вычислений следующего поколения, которые будут необходимы, если мы хотим продолжить экспоненциальную историческую тенденцию к вычислительной мощности, кремний остается предпочтительным веществом во многих областях. Найдем ли мы новые и захватывающие способы контролировать его обращение с электронами? Возможно. Обнаружим ли мы, что она лежит в основе всей жизни во Вселенной, за исключением той, которая развилась на Земле? Наверное, нет, хотя это возможно. По крайней мере, мы не собираемся отказываться от его использования в качестве строительного материала, поскольку соединения кремния являются основой породы, которая составляет большую часть земной коры.

Возможно, мы собираемся отказаться от кремния, но 20 лет назад это было не менее вероятно. По всей вероятности, он останется одним из самых важных веществ для развития человеческого мастерства в физическом мире.

Полупроводники оказали огромное влияние на наше общество. Вы найдете полупроводники в основе микропроцессорных чипов, а также транзисторов. Все, что компьютеризировано или использует радиоволны, зависит от полупроводников.

Сегодня большинство полупроводниковых микросхем и транзисторов изготавливаются из кремния. Возможно, вы слышали такие выражения, как «Кремниевая долина» и «кремниевая экономика», и вот почему — кремний — это сердце любого электронного устройства.

Диод – это простейшее из возможных полупроводниковых устройств, поэтому с него можно отлично начать, если вы хотите понять, как работают полупроводники. В этой статье вы узнаете, что такое полупроводник, как работает легирование и как из полупроводников можно создать диод. Но сначала давайте внимательно рассмотрим кремний.

Кремний — очень распространенный элемент, например, он является основным элементом песка и кварца. Если вы посмотрите на «кремний» в периодической таблице, вы обнаружите, что он находится рядом с алюминием, ниже углерода и выше германия.

Углерод, кремний и германий (германий, как и кремний, также является полупроводником) обладают уникальным свойством электронной структуры: у каждого из них на внешней орбитали четыре электрона. Это позволяет им образовывать красивые кристаллы. Четыре электрона образуют идеальные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, создавая решетку. В углероде мы знаем кристаллическую форму как алмаз. В кремнии кристаллическая форма представляет собой серебристое металлическое вещество.

В кремниевой решетке все атомы кремния идеально связаны с четырьмя соседями, не оставляя свободных электронов для проведения электрического тока. Это делает кристалл кремния изолятором, а не проводником.

Металлы, как правило, являются хорошими проводниками электричества, потому что у них обычно есть «свободные электроны», которые могут легко перемещаться между атомами, а электричество связано с потоком электронов. Хотя кристаллы кремния выглядят металлическими, на самом деле это не металлы. Все внешние электроны в кристалле кремния связаны идеальными ковалентными связями, поэтому они не могут перемещаться. Чистый кристалл кремния является практически изолятором — через него проходит очень мало электричества.

Но вы можете изменить все это с помощью процесса, называемого допингом.

Вы можете изменить поведение кремния и превратить его в проводник, легировав его. При легировании вы подмешиваете небольшое количество примеси в кристалл кремния.

Существует два типа примесей:

N-тип — при легировании N-типа фосфор или мышьяк добавляются к кремнию в небольших количествах. Фосфор и мышьяк имеют по пять внешних электронов, поэтому они оказываются не на своем месте, когда попадают в решетку кремния. Пятому электрону не с чем связываться, поэтому он может свободно перемещаться. Требуется лишь очень небольшое количество примеси, чтобы создать достаточно свободных электронов, чтобы позволить электрическому току течь через кремний. Кремний N-типа является хорошим проводником. Электроны имеют отрицательный заряд, отсюда и название N-типа.
P-тип — при легировании P-типа легирующей примесью является бор или галлий. Бор и галлий имеют только по три внешних электрона. При смешивании с решеткой кремния они образуют «дыры» в решетке, где кремниевому электрону не с чем связываться. Отсутствие электрона создает эффект положительного заряда, отсюда и название P-типа. Отверстия могут проводить ток. Дырка с радостью принимает электрон от соседа, перемещая дырку по пространству. Кремний P-типа является хорошим проводником.

Небольшое количество легирующей примеси N-типа или P-типа превращает кристалл кремния из хорошего изолятора в жизнеспособный (но не отличный) проводник — отсюда и название "полупроводник".

Кремний N-типа и P-типа сам по себе не так уж удивителен; но когда вы соединяете их вместе, вы получаете очень интересное поведение на стыке. Вот что происходит в диоде.

Диод — это простейшее полупроводниковое устройство. Диод позволяет току течь в одном направлении, но не в другом. Возможно, вы видели турникеты на стадионе или на станции метро, которые пропускают людей только в одном направлении. Диод — это односторонний турникет для электронов.

Если вы соедините кремний N-типа и P-типа вместе, как показано на этой диаграмме, вы получите очень интересное явление, которое придает диоду его уникальные свойства.

Несмотря на то, что кремний N-типа сам по себе является проводником, а кремний P-типа сам по себе также является проводником, комбинация, показанная на схеме, не проводит электричество. Отрицательные электроны в кремнии N-типа притягиваются к положительной клемме батареи. Положительные отверстия кремния P-типа притягиваются к отрицательной клемме батареи. Ток через переход не течет, потому что дырки и электроны движутся в неправильном направлении.

Если перевернуть аккумулятор, диод прекрасно проводит электричество. Свободные электроны в кремнии N-типа отталкиваются от отрицательного полюса батареи. Отверстия в кремнии P-типа отталкиваются положительным полюсом. На стыке между кремнием N-типа и P-типа встречаются дырки и свободные электроны. Электроны заполняют дырки. Эти дырки и свободные электроны перестают существовать, и их место занимают новые дырки и электроны. Эффект заключается в том, что ток течет через соединение.

В следующем разделе мы рассмотрим использование диодов и транзисторов.

Диоды и транзисторы

Устройство, блокирующее ток в одном направлении и пропускающее ток в другом, называется диодом. Диоды можно использовать по-разному. Например, устройство, в котором используются батареи, часто содержит диод, который защищает устройство, если вы вставляете батареи обратной стороной. Диод просто блокирует любой ток, вытекающий из батареи, если он перевернут, что защищает чувствительную электронику устройства.

При обратном смещении идеальный диод блокирует весь ток. Настоящий диод пропускает примерно 10 микроампер — немного, но все же не идеально. И если вы приложите достаточное обратное напряжение (V), соединение сломается и пропустит ток. Обычно напряжение пробоя намного больше напряжения, чем может когда-либо увидеть схема, так что это не имеет значения.

При прямом смещении для запуска диода требуется небольшое напряжение. В кремнии это напряжение составляет около 0,7 вольта. Это напряжение необходимо для запуска процесса объединения дырок и электронов на стыке.

Еще одна монументальная технология, связанная с диодами, — это транзистор. Транзисторы и диоды имеют много общего.

Транзисторы

Транзистор состоит из трех слоев, а не из двух, как в диоде. Вы можете создать бутерброд NPN или PNP. Транзистор может действовать как переключатель или усилитель.

Транзистор выглядит как два диода, включенных друг к другу. Вы можете себе представить, что ток не может течь через транзистор, потому что встречно-параллельные диоды блокируют ток в обоих направлениях. И это правда. Однако, когда вы подаете небольшой ток к центральному слою сэндвича, гораздо больший ток может течь через сэндвич в целом. Это определяет поведение транзистора при переключении. Небольшой ток может включать и выключать больший ток.

Кремниевый чип – это кусок кремния, который может содержать тысячи транзисторов. Используя транзисторы, действующие как переключатели, вы можете создавать логические элементы, а с помощью логических элементов можно создавать микропроцессорные микросхемы.

Естественный переход от кремния к легированному кремнию, от транзисторов к чипам сделал микропроцессоры и другие электронные устройства такими недорогими и широко распространенными в современном обществе. Основополагающие принципы удивительно просты. Чудо заключается в постоянном совершенствовании этих принципов до такой степени, что сегодня десятки миллионов транзисторов можно без больших затрат разместить на одном кристалле.

Для получения дополнительной информации о полупроводниках, диодах, микросхемах и многом другом перейдите по ссылкам ниже.

Отличный вопрос! Кремний – интересный пример, когда свойства материала — не единственный решающий фактор, влияющий на его превращение в потребительские товары.

Почему кремний используется в чипах для компьютеров?
Кремний на самом деле не самый оптимальный электронный материал, но он используется вместо других материалов с лучшими электронными свойствами, потому что он дешев и чрезвычайно распространен. На самом деле Si — восьмой по распространенности элемент на земле (правда, предварительно нужно провести обработку). Это часть того, что делает всю вашу электронику доступной, и часто является препятствием для замены ее другими материалами. Но в мире проводится множество исследований, направленных на открытие материалов, сравнимых с кремнием или лучше его. Это захватывающее время для исследования электронных материалов!

Как правило, материалы для электронных устройств – это полупроводники. Это потому, что вы хотите иметь устройство, которое может переключаться между включенным и выключенным состоянием при комнатной температуре (в противном случае вам пришлось бы использовать свой компьютер где-нибудь, например, в морозильной камере или сауне!). Металлы проводят электроны, поэтому их было бы трудно выключить, и точно так же изоляторы не проводят электроны, поэтому включить их было бы так же сложно. Полупроводниковые материалы обладают свойствами в этой золотой середине, это как раз то, что нужно. Кремний является примером такого полупроводника. Это не лучший электронный материал, но он достаточно хорош.

Что делает Si далеко не идеальным электронным материалом?
Наверняка для этого существует множество причин, таких как более низкая подвижность носителей (например, электроны не двигаются так быстро; помните, что ток равен C/s, поэтому более медленные носители означают, что вы получаете меньший ток в секунду). Вы можете сравнить его с германием и арсенидом галлия, которые обладают лучшими электронными свойствами.

И еще кое-что интересное:
Что отличает металл, полупроводник и изолятор?
Ключевой характеристикой, которая часто используется для различения металлов, полупроводников и изоляторов, является энергетическая запрещенная зона. В физике твердого тела вы узнаете, что электроны в твердых телах живут при определенных энергиях, называемых зонами. У металлов нет зазора между полосами, а это означает, что электроны могут течь между полосами и проводить ток. Полупроводники и изоляторы имеют зазор между полосами, причем верхняя часть полос называется «зонами проводимости», а нижняя часть полос называется «валентными зонами»; полупроводники имеют меньшие зазоры. Это лучше понять со схемой. Оказывается, эти полосы различаются по энергии, когда вы перемещаетесь по этим материалам в разных направлениях, так что между валентной зоной и зоной проводимости есть энергетические минимумы и максимумы. Ширина запрещенной зоны часто определяется как разница энергий между минимумом зоны проводимости (CBM) и максимумом валентной зоны (VBM) (это также лучше понять с помощью изображения; ось импульса - это, по сути, определенное место и направление в материале). На этой схеме CBM и VBM находятся непосредственно между собой; это называется «прямая запрещенная зона». Но это не обязательно так, CBM и VBM могут быть расположены в разных местах, и в этом случае разрыв является «непрямой запрещенной зоной».

Это важно, например, для кремния в солнечных элементах. Кремний имеет непрямую запрещенную зону, которая менее эффективна, чем материалы с прямой запрещенной зоной. Но поскольку Si настолько дешев и широко распространен, он по-прежнему является основным материалом, используемым для изготовления солнечных элементов.

Это довольно много для усвоения (и на самом деле это сокращенная версия многих уроков по физике и материаловедению), но если это вас заинтересует, я бы порекомендовал изучить материаловедение для дальнейшего изучения!

Надеюсь, это поможет!

Компьютерный чип должен быть изготовлен из полупроводникового материала, и большинство этих чипов действительно сделаны из кремния, хотя возможны и другие материалы.

Самая важная причина того, почему кремний является самым популярным материалом для компьютерных микросхем, заключается в том, что за последние несколько десятилетий были потрачены миллиарды долларов и невероятное количество времени на совершенствование процесса создания очень надежных транзисторов все меньшего размера с миллионами и иногда миллиарды работающих транзисторов на чип.Таким образом, даже если бы другой материал был лучше, чем кремний, все равно потребовалось бы огромное количество времени (много лет!) и денег (миллиарды долларов!) для усовершенствования конструкции и производственного процесса.

Первый транзистор был создан в 1947 году в Bell Labs на основе германия, другого полупроводникового материала. Первый кремниевый транзистор был создан в 1950-х годах. Транзисторы также могут быть изготовлены из многих других материалов.

Одна из причин, по которой кремний был выбран вместо германия, заключается в том, что кремний лучше работает при высоких температурах, потому что связи с электронами в кремнии сильнее, чем в германии. Германий имеет более слабые связи со своими электронами, и при высоких температурах эти связи могут разорваться, что приведет к ухудшению характеристик.

Еще одна причина, по которой кремний стал доминировать, заключается в том, что очень легко создать высококачественный тонкий изолятор на поверхности кремниевого чипа, потому что вы можете просто поместить кремний в горячую печь с кислородом, и он сформирует тонкую пленку из диоксид кремния, который работает как отличный изолятор, что дало ему огромное преимущество при создании МОП-транзисторов. Современные компьютерные микросхемы полностью состоят из полевых МОП-транзисторов с изолированным затвором, этот изолятор используется для снижения энергопотребления и повышения производительности.

В некоторых современных приложениях, таких как очень быстродействующие мощные транзисторы для беспроводных приложений, включая связь и радар, используются другие более специализированные полупроводники, включая нитрид галлия (GaN), поскольку электроны в GaN движутся очень быстро, а электронные связи в GaN очень тесные. поэтому он может работать до более высоких напряжений. Сверхвысокоскоростные транзисторы, работающие на частоте до 1000 ГГц, созданы из полупроводников из арсенида индия-галлия, потому что электроны в этом материале движутся еще быстрее, поэтому кремниевым транзисторам очень трудно соответствовать скорости, эти транзисторы могут когда-нибудь использоваться для сверхвысоких скоростей. скоростные беспроводные каналы связи с гораздо большей пропускной способностью, чем это возможно сегодня.

Создавать кремниевые транзисторы следующего поколения становится все труднее и дороже, поскольку инженеры начинают работать на пределе возможностей материала. Однако инженеры всегда находили способы продолжать улучшать кремниевые устройства, даже когда это казалось невозможным, поэтому никто не знает, как долго эти транзисторы будут продолжать улучшаться. Возможно, когда-нибудь другой материал заменит кремний, который доминировал на протяжении десятилетий.

Отличный вопрос! Кремний является важным компонентом современной электроники, потому что это элемент с очень особыми свойствами. А именно, кремний в чистом виде является полупроводником, а значит, обладает свойствами как металла (проводящего электричество), так и изолятора (блокирующего электричество). Управляя полупроводниковым кремнием, мы можем манипулировать электрическими сигналами, которые в конечном итоге являются строительными блоками транзисторов, микросхем памяти, компьютерных процессоров и всей электроники! Кремний также является относительно распространенным элементом на Земле, хотя в природе кремний часто сочетается с другими молекулами, такими как кислород (то есть с кремнием или песком), поэтому для очистки кремния необходима искусственная обработка. Однако в электронной промышленности также широко используются другие материалы, такие как германий, золото, медь, алюминий, магний, никель, кадмий и т. д.

Да, кремний обладает множеством особых свойств, которые делают его идеальным для использования в компьютерных чипах. Кремний имеет как «научные», так и «технологические» преимущества перед многими другими материалами. Научные преимущества — это то, что заставляет Si действительно работать для достижения нашей цели, а технологические преимущества — это то, что делает его дешевым и масштабируемым для больших производственных объектов.

С научной точки зрения Si является полупроводниковым материалом, что означает, что он находится где-то между строгим электрическим изолятором, таким как стекло, и строгим металлом, таким как медь. Одним из наиболее полезных аспектов полупроводников является то, что их уровень проводимости можно изменить с помощью «примесей», представляющих собой небольшие концентрации примесных атомов.

С технологической точки зрения кремний также можно сделать невероятно чистым в поразительно больших масштабах. Огромные кремниевые були высотой от пола до потолка представляют собой идеальные кристаллы с исчезающе малым количеством дефектов. Вот почему добавление примесей может быть таким точным процессом и дает инженерам такой большой контроль.

Единственный материал, который можно сделать чище кремния, — это германий. Было время, когда было неясно, станет ли Si или Ge платформой для компьютерных чипов, но Si победил еще по нескольким научным и технологическим причинам: Si способен выращивать стабильный изолирующий оксид (SiO_{2< /sub>) при очень сильном нагревании в печи. Это очень полезно для создания таких устройств, как транзисторы, для которых требуются изолирующие области. Во-вторых, Si чертовски дешев! Это самый распространенный элемент в земной коре, который практически изолирован от песка.}

Короче говоря, кремний – это очень чистый, простой в использовании и дешевый полупроводник, который идеально подходит для современной индустрии компьютерных микросхем.

Кремний используется потому, что его можно использовать в качестве изолятора (не пропускающего электрический ток) или полупроводника (пропускающего небольшой поток электричества). Это важно для изготовления чипсов. Кроме того, это очень и очень дешево.

Да; кремний является полупроводником, что позволяет ему точно контролировать поток электричества между компонентами чипа. Однако я недостаточно электрик, чтобы подробно объяснить, как это работает.

Это хороший вопрос. Во-первых, давайте напомним себе, что такое компьютерные чипы. Компьютерные чипы представляют собой небольшие пластины из полупроводникового материала, такого как кремний, которые имеют набор электронных схем, которые можно использовать для передачи данных. Возможность манипулировать напряжениями в этих электронных схемах важна для контроля эффективности передачи данных. Кремний является хорошим материалом для этого, потому что относительно легко манипулировать проводящими свойствами кремния, «легируя» его другими элементами. Хотя кремний — не единственный полупроводниковый материал, создавать схемы из кремния, безусловно, намного дешевле, чем из других полупроводников. Надеюсь, это поможет!

Читайте также: