Mi a leggyakoribb félvezető? A történet a szilícium megfojtása mögött a modern elektronikában

Menjen be bármelyik elektronikai laborba, és kérdezze meg, hogy melyik anyag foglalkoztatja a mérnököket, és minden alkalommal ugyanazt a szót fogja hallani. Szilícium. Olyan régóta van rá válasz, hogy a kérdést már alig teszik fel. Kalifornia egész régiója viseli a nevét. A világ legnagyobb vállalatai erre épülnek, szó szerint és pénzügyileg. De a szilícium nem érkezett ebbe a pozícióba, mert valaki úgy döntött, hogy ez az elképzelhető legjobb félvezető. A jó kémia, a szerencsés időzítés és az olyan ipari lendület kombinációja révén jutott el oda, amelyet szinte lehetetlen visszafordítani, ha egyszer elindul.

 

 

Félvezető

 

Nem Szilíciummal kezdődött

Az első tranzisztor nem szilíciumból készült. Amikor Bardeen és Brattain 1947 decemberében bemutatta készülékét a Bell Labs-ban, az aranyérintkezőik alatti anyag germánium volt. Ennek jó okai voltak. A germániumot könnyebb volt megtisztítani a korai félvezető munkához szükséges szintre, és az elektronok szabadabban mozogtak rajta, mint a szilíciumon keresztül a kutatók által használt feszültségeken. Ha Ön fizikus lett volna 1950-ben, és arra fogad, hogy melyik anyag fogja uralni az elektronikai ipart, a germánium nem lett volna ésszerűtlen választás.

Mindenesetre elveszett. És az elvesztésének módja valami fontosat mond arról, hogyan fejlődik a technológia valójában, ami ritkán halad azon az úton, amely az elején a legígéretesebbnek tűnik.

A germánium végzetes hibája a termikus volt. A sávszélessége 0,67 elektronvolt, ami elég szűk ahhoz, hogy a hőmérséklet emelkedése miatt az eszközök áramot szivárogtassanak, amit a mérnökök nem tudtak könnyen ellenőrizni. Tegyél egy germánium tranzisztort egy katonai hardverbe, vagy egy meleg vákuumcső közelébe, vagy egyszerűen egy olyan eszközbe, amely egy órája működött, és a viselkedése megváltozik. Ez a fajta kiszámíthatatlanság elviselhető egy laboratóriumban. Egy termékben nem tolerálható.

 

Üvegréteg, amely megváltoztatta a gyártást

A szilícium sávszélessége 1,1 elektronvolt, ami lényegesen jobb hőstabilitást adott neki. A szilíciumra épített eszközök megbízhatóan működhettek olyan hőmérsékleten, amely a germánium hibás működését okozta. Ez önmagában elég lehetett az egyensúly megbillentéséhez. De a szilíciumnak volt egy másik előnye, amelyet senki sem számított teljesen, és kiderült, hogy mindennél fontosabb.

Amikor a szilícium oxigén hatásának van kitéve, vékony, kemény, egyenletes szilícium-dioxid réteg képződik a felületén. A szilícium-dioxid elektromosan szigetelő, kémiailag stabil, és olyan konzisztenciával kötődik az alatta lévő szilíciumhoz, amely szabályozható és megismételhető az egész ostyán. Amikor az 1950-es évek végén a mérnökök azon dolgoztak, hogyan építsenek tranzisztorokat sík felületre, és kössék össze őket lerakódott fémmel, ez a natív oxidréteg lett az alapvető összetevő. Szigetelő gátként szolgált az alkatrészek között. Termikusan növesztheti, savval átmarathatja az ablakokat, új rétegeket rakhat a tetejére, és mindezt kellő pontossággal meg lehet határozni a szem által nem látható tulajdonságok meghatározásához.

A germániumnak nincs ilyen oxidja. A germánium-dioxid vízben oldódik, és a félvezető feldolgozáshoz szükséges hőmérsékleten szétesik. Ez nem volt megoldható probléma jobb tervezéssel. Anyagi tulajdonság volt, és gyakorlatilag kizárta a germániumot a gyártási folyamatból, amelyhez az ipar közeledett.

A szilícium nem pusztán azért nyert, mert volt, hanem azért, amit egy gyártási környezetben csinált. A síkbeli eljáráshoz stabil, termeszthető oxiddal rendelkező anyagra volt szükség. A szilíciumnak volt egy. Minden más ebből következett.

 

Így néz ki a világ ostyáinak kilencven százaléka

A szilícium jelenleg a világszerte előállított félvezető lapkák több mint kilencven százalékát teszi ki. Ez a szubsztrát a laptop processzorainak, a telefon memóriájának, a fényképezőgép képérzékelőjének, a hűtőszekrény kompresszorvezérlőjének teljesítménytranzisztorainak és a napelemeknek, amelyek egyre több háztetőre mennek. Jelenlétének szélességét nehéz túlbecsülni.

Ennek egy része a puszta ipari méretek fenntartása. Egy modern szilíciumlemez-gyártó üzem építése tíz-húszmilliárd dollárba kerül, és minden benne lévő eszközt, minden vegyi eljárást, minden minőség-ellenőrzési eljárást évtizedek óta fejlesztettek és finomítottak, kifejezetten a szilícium szem előtt tartásával. A fotorezisztek szilíciumhoz készültek. A maratási kémia szilíciumra van hangolva. A mérnökök ismerik a szilíciumot.

Amire az iparágon kívül a legtöbb ember nem gondol, az a támogató infrastruktúra, amely remekül működik. A félvezető gyártás az ultratiszta víz, a technológiai gázok és az agresszív kémiai maratóanyagok megszakítás nélküli áramlásától függ, amelyek gondosan ellenőrzött szállítórendszereken keresztül haladnak át. A gyárban minden folyadékúthoz, az ostyákat a lépések között öblítő ionmentesített vízhuroktól az oxideltávolításhoz hidrogén-fluorsavat szállító vezetékekig, olyan alkatrészekre van szükség, amelyek képesek kezelni a korrozív közeget anélkül, hogy szennyeznék a folyamatot. Arozsdamentes acél golyóscsapaz egyik leggyakoribb vezérlőpont ezekben a rendszerekben, a vezetékek leválasztására, az áramlás szabályozására és a karbantartás lehetővé tételére egy teljes hurok leállítása nélkül. A félvezető környezetben ezekre a szelepekre alkalmazott tisztasági szabványok lényegesen szigorúbbak, mint a legtöbb más iparágban, mivel még a rosszul meghatározott szerelvényekből származó fémszennyeződés is tönkreteheti az egész ostya tételt. Emiatt a fab mérnökei a vegyszerszállító rendszerben lévő összes rozsdamentes acél golyóscsap kiválasztását ugyanolyan komolysággal kezelik, mint a technológiai berendezések specifikációját, az anyagtanúsítványok, a felületkezelési szabványok és az eltávolítható szennyezőanyag-szintek felülvizsgálatát, mielőtt egyetlen szelepet szerelnének fel a vonalra.

Az iparnak ez az a rétege, amely ritkán jelenik meg a chipek és a gyártás lefedettségében, de ez ugyanolyan fontos, mint maguk a litográfiai gépek. Amikor az emberek arról beszélnek, hogy a félvezető ellátási láncot nehéz reprodukálni vagy áthelyezni, akkor részben erről beszélnek: a folyamat minden alkatrészének felhalmozott sajátosságairól, egészen a vegyszerszállító szekrényben található szerelvényekig és áramlásszabályozó hardverig.

 

LEADTEK 2PC rozsdamentes acél golyóscsap

 

A helyeken a szilícium kifogy az útból

A szilíciumnak valóban megvannak a határai, és bizonyos alkalmazásokban ezek a határértékek megszűntek elméleti aggályok lenni, és valódi mérnöki problémákká váltak.

A gallium-nitrid sávszélessége 3,4 elektronvolt, ami több mint háromszorosa a szilíciuménak. Ez a szélesebb rés lehetővé teszi, hogy a GaN tranzisztorok blokkolják a magasabb feszültségeket, magasabb frekvencián kapcsoljanak, és hatékonyabban oszlatják el a hőt, mint egy hasonló méretű szilícium eszköz. A jelenlegi okostelefonokhoz és laptopokhoz szállított gyorstöltők nem szilíciumot, hanem GaN teljesítménytranzisztort használnak, ezért hatvan vagy száz wattos töltési kapacitást is elférnek benne, ami elég kicsi ahhoz, hogy a kabát zsebében felejtse. A szilíciumnak fizikailag nagyobb eszközre lenne szüksége, hogy ugyanazt a munkát ugyanolyan hatékonysággal végezze. A GaN erősítők központi szerepet töltenek be az 5G bázisállomások infrastruktúrájában is, ahol a szilícium frekvenciahatárai kemény plafonokká válnak, nem pedig puha irányelvekké.

A szilícium-karbid hasonló szerepet játszik nagyobb teljesítményszinteken, különösen ott, ahol a hőelvonás a kötődési kényszer. Hővezető képessége nagyjából háromszorosa a szilíciuménak, ami számít, ha több száz kilowattot vezet át egy elektromos jármű inverterén. Számos nagy gyártó áthelyezte vontatási invertereit szilícium IGBT-kről szilícium-karbid modulokra, és a hatékonyságnövekedés elég valós ahhoz, hogy a hatótávolságban is megjelenjen.

E kettőn túl vannak olyan anyagok, amelyek jelentős kutatási érdeklődést váltanak ki, de még nem kerültek át a fősodorba. A gallium-oxid sávszélessége megközelíti az öt elektronvoltot, és elméleti törési jellemzői igen nagy feszültségű alkalmazásokban hasznosak lehetnek, de a hibamentes ostyák méretarányos növelésének technológiája még mindig kidolgozás alatt áll. A grafén elektronmobilitása elméletileg körülbelül kétszázezer négyzetcentiméter/volt-másodperc, ez a szám eltörpül a szilícium 1400-ánál, és a kutatók már húsz éve rámutattak erre a számra, miközben a gyakorlati graféntranzisztorok, amelyek a szilíciummal versenyeznek egy valódi áramkörben, nagyrészt elérhetetlenek maradnak.

 

Az őszinte álláspont

A szilícium a legelterjedtebb félvezető, és hosszabb ideig az is marad, mint amennyire az iparban jelenleg dolgozó emberek többsége látni fogja. A GaN és a SiC nem szorítja ki széles körben a szilíciumot. Megnyerték a piac azon szegleteit, ahol a szilícium fizikája valóban nem volt megfelelő, és a szilícium különösebb harc nélkül átadja ezeket a sarkokat, mert az ottani gazdaság eltolódott ellene.

Ami valójában változik, az valami finomabb. A félvezetőipar történetének nagy részében a szilícium nem csupán a leggyakoribb anyag volt. Ez volt a feltételezett anyag, minden tervezési beszélgetés kiindulópontja, az alapértelmezés, amelytől csak akkor tértél el, amikor szokatlanul erős oka volt rá. Ez a feltételezés a széleken lazul. Nem összeomlani, nem megdönteni, csak lazítani. A legelterjedtebb félvezető még mindig a szilícium. A félvezető anyagokban jelenleg az a legérdekesebb kérdés, hogy a szilícium hol lesz a kézenfekvő válasz, és mi tölti ki az általa hátrahagyott teret.