3 redenen waarom silicium de ideale halfgeleider is voor chipproductie

Veel van onze dagelijkse elektronische apparaten zijn op de een of andere manier afhankelijk van transistors. Transistors zijn elektronische componenten die worden gebruikt om de stroom van stroom die door een apparaat gaat, te regelen. Ze fungeren als elektronisch gestuurde schakelaars die in- en uitschakelen en leveren binaire signalen die apparaten kunnen gebruiken om gegevens te verwerken.

Zoals je je kunt voorstellen, zijn transistors aanwezig in bijna elk elektronisch apparaat dat je dagelijks gebruikt. Transistoren kunnen worden gemaakt op basis van verschillende grondstoffen. Fabrikanten geven er echter de voorkeur aan silicium te gebruiken boven elk ander materiaal. Hier zijn drie redenen waarom.

1. Silicium is goedkoop

Silicium is na zuurstof het meest voorkomende element op de aardkorst. Hoewel puur silicium zeldzaam is, zijn materialen zoals silica (SiO2) direct beschikbaar in het zicht op het strand of andere zandige omgevingen.

Je zou silica op het strand meestal kunnen herkennen als de glanzende korrels die glinsteren als je op een zonnige dag met zand omgaat.

Het strand is echter geen goede plek om silicium te vinden. Strandzand heeft veel te veel onzuiverheden dat de verhouding tussen silica en andere materialen niet ideaal is. Fabrikanten zouden ofwel van siliciumleveranciers kopen of de materialen zelf ontginnen op plaatsen waar de silicaconcentraties hoog zijn.

In vergelijking met andere metalloïde materialen, heeft silicium een ​​veel gemakkelijkere en ongecompliceerde manier van zuivering. Omdat silica alleen bestaat uit silicium en zuurstof gecombineerd, hoef je alleen maar de zuurstofdeeltjes te verwijderen en je houdt puur silicium over.

Het proces is om koolstof met het silica te introduceren in een oven die is verwarmd tot 3.632 graden Fahrenheit (2.000 graden Celsius). De energie van de hitte zou het silicium en de zuurstof uit elkaar halen. Op basis van atomaire structuren is de kans groter dat zuurstof zich aan koolstof bindt, waardoor hooggeconcentreerd silicium in het proces achterblijft.

2. Silicium wordt gebruikt om MOSFET's te maken die worden gebruikt bij het verwerken van chips

MOSFET's (metaaloxide-silicium veldeffecttransistor) zijn het ideale type transistor om processors en geheugen te maken, zoals CPU's, RAM's, SSD's en flashdrives. Zoals de naam al aangeeft, zijn MOSFET's gemaakt van silicium. Er zijn verschillende kwaliteiten van MOSFETS waardoor ze de ideale componenten zijn om verwerkingschips te maken. Deze zouden omvatten:

• Energie-efficiëntie. In tegenstelling tot andere transistors worden MOSFETS bestuurd door spanning en niet door stroom. Met spanning die de poort regelt en er slechts minimale hoeveelheden stroom door de transistor gaan, wordt minder energie verbruikt.
• Hoogfrequent schakelen. Het gebruik van slechts minimale stroom om de MOSFET AAN en UIT te schakelen, maakt dit type transistors ideaal voor hoogfrequente toepassingen zoals op processors.
• Lage elektromagnetische interferentie. Lage stromen voorkomen dat MOSFETS elektromagnetische interferenties produceren die andere componenten ernaast kunnen beïnvloeden. Zonder zich zorgen te hoeven maken over elektromagnetische interferentie, konden ingenieurs ze in zulke compacte formaten verpakken.
• Natuurlijke isolatie. Silicium heeft eigenschappen die van nature voorkomende isolatie maken. Een andere reden waarom MOSFETS dicht op elkaar kunnen worden verpakt, is door de natuurlijk voorkomende isolatie.
• Geweldige thermiek. Hoge stromen maken geleiders heet. Omdat MOSFET's niet veel stroom verbruiken, worden ze niet zo warm, tenzij je ze natuurlijk overklokt.
• Overklokbaar. Werken met een laag vuur betekent ook dat MOSFETS die als schakelaars worden gebruikt, veel meer kunnen worden gesmoord in vergelijking met andere typen transistors.

Met zijn vele voordelen en toepassingen zijn MOSFETS de voorkeurstransistor bij het maken van elektronische chipcomponenten, maar waarom in de eerste plaats silicium gebruiken om veldeffecttransistors te maken? Waarom geen andere elementen?

Fabrikanten moeten bij het maken van transistors een element gebruiken met halfgeleidende eigenschappen zoals silicium. Halfgeleiders zijn metalloïden die noch een geleider, noch een isolator zijn. Ze laten nog steeds stroom door hen stromen, alleen op een zeer inefficiënte manier.

Zuiver silicium is van nature een slechte geleider. Door onzuiverheden zoals boor en fosfor toe te voegen, waren ingenieurs echter in staat om de geleidende eigenschappen van halfgeleiders, waardoor transistoren kunnen overschakelen van geleider naar isolator wanneer spanning wordt geïntroduceerd, net zoals a schakelaar.

Verwant: Wat maakt de iPhone-chips van Apple zo speciaal?

3. Eenvoudig fabricageproces

Hoewel andere halfgeleiders eigenschappen hebben die betere veldeffecttransistoren kunnen maken, is silicium nog steeds het voorkeursmateriaal vanwege het gemak van fabricage. Dit betekent minder complexiteit, wat zich vertaalt in minder geld dat wordt uitgegeven aan speciaal gereedschap en extra verwerking.

Een van de belangrijkste redenen waarom silicium gemakkelijker te verwerken is, is vanwege het hoge smeltpunt. Het smeltpunt van silicium is 2.570 graden Fahrenheit (1410 graden Celsius). Een materiaal met een hoog smeltpunt is essentieel voor de fabricage van microchips, vooral als ze gate-last implementeren fabricage, die een dummy-poort introduceert die wordt gebruikt als een tijdelijke aanduiding om een ​​mal te maken waar de eigenlijke actieve poort moet komen geïnstalleerd.

Een andere eigenschap die ervoor zorgt dat silicium gemakkelijker te vervaardigen is, is de natuurlijk voorkomende isolerende eigenschap. Wanneer zuurstof in de bovenste siliciumlagen wordt gebracht, vormen ze een laag metaaloxide-silicium (Glas). Glas is een uitstekende isolator, zelfs in dunne lagen, waardoor fabrikanten gratis isolatie hebben, waardoor ze een hoop kosten en productietijd besparen.

Behalve dat het goedkoop is, is de productie van silicium ook veel belangrijker dan enige andere halfgeleiderproductie op de markt. Omdat silicium direct beschikbaar is, hoeven fabrikanten zich geen zorgen te maken over het opraken van grondstoffen om mee te werken, wat weer tijd bespaart en meer microchips maakt, wat zich vertaalt in meer winst.

Verwant: Wat is een systeem op een chip (SoC)?

Silicium is overal

Silicium is de ultieme halfgeleider waardoor onze wereld welvarend kon worden en de technologische kolos kon zijn die het vandaag is. Het is verantwoordelijk voor het mogelijk maken van bepaalde technologie en is ook de reden waarom de meerderheid van de wereld van technologie kan genieten.

Hoewel silicium veel productievoordelen heeft die de technische industrie winstgevender maken, profiteert u, de consument, ook van siliciumproductie. Elektronische apparaten zoals smartphones, computers, gameconsoles, televisies, CMOS-camera's en alle andere slimme apparaten worden betaalbaar gemaakt door de lage kosten van grondstoffen en gemakkelijker fabricage.

Silicium maakt zo'n groot deel uit van ons leven dat, ironisch genoeg, silica (onzuiver silicium) moet worden gewonnen uit zanderige omgevingen, terwijl puur silicium overal in ons huishouden te vinden is.

Wanneer de wet van Moore eindigt: 3 alternatieven voor siliciumchips

De wet van Moore bepaalt al tientallen jaren het tempo van de technologische ontwikkeling. Maar wat gebeurt er als de fysieke grenzen worden bereikt?

Lees volgende

Over de auteur