Care este cel mai comun semiconductor? Povestea din spatele stăpânirii siliconului asupra electronicelor moderne

Intrați în orice laborator de electronică și întrebați ce material îi ține pe ingineri angajați și veți auzi același cuvânt de fiecare dată. Siliciu. Răspunsul a fost atât de mult timp încât întrebarea abia se mai pune. O întreagă regiune a Californiei își poartă numele. Cele mai mari companii din lume sunt construite pe el, literal și financiar. Dar siliciul nu a ajuns în această poziție pentru că cineva a decis că este cel mai bun semiconductor imaginabil. A ajuns acolo printr-o combinație de chimie bună, sincronizare norocoasă și tipul de impuls industrial pe care este aproape imposibil de inversat odată ce începe.

 

 

Semiconductor

 

Nu a început cu silicon

Primul tranzistor nu era din siliciu. Când Bardeen și Brattain și-au demonstrat dispozitivul la Bell Labs în decembrie 1947, materialul de sub contactele lor de aur era germaniu. Au existat motive întemeiate pentru asta. Germaniul a fost mai ușor de purificat la nivelurile pe care le-au cerut lucrările timpurii cu semiconductori, iar electronii se mișcau prin el mai liber decât prin siliciu la tensiunile pe care le foloseau cercetătorii. Dacă ai fi fost fizician în 1950 și ai fi pariat pe ce material ar ajunge să domine industria electronică, germaniul nu ar fi fost o alegere nerezonabilă.

S-a pierdut oricum. Și felul în care a pierdut spune ceva important despre modul în care tehnologia se dezvoltă de fapt, care este rareori pe calea care pare cel mai promițătoare la început.

Defectul fatal al germaniului a fost termic. Bandgap-ul său se află la 0,67 electroni volți, suficient de îngust încât temperaturile în creștere au făcut ca dispozitivele să curgă curent în moduri pe care inginerii nu le-au putut controla cu ușurință. Puneți un tranzistor cu germaniu într-o piesă de hardware militară, sau lângă un tub de vid cald, sau pur și simplu într-un dispozitiv care a funcționat de o oră, iar comportamentul său s-ar schimba. Acest tip de imprevizibilitate este tolerabil într-un laborator. Nu este tolerabil într-un produs.

 

Un strat de sticlă care a schimbat producția

Siliciul are o bandgap de 1,1 electroni volți, ceea ce i-a oferit o stabilitate termică semnificativ mai bună. Dispozitivele construite pe siliciu ar putea funcționa în mod fiabil la temperaturi care au cauzat comportamentul prost al germaniului. Numai asta ar fi fost suficient pentru a înclina balanța. Dar siliciul avea un al doilea avantaj pe care nimeni nu îl anticipase pe deplin și s-a dovedit a conta mai mult decât orice altceva.

Când siliciul este expus la oxigen, crește un strat subțire, dur și uniform de dioxid de siliciu pe suprafața sa. Dioxidul de siliciu este izolator electric, stabil din punct de vedere chimic și se leagă de siliciul de sub el cu o consistență care poate fi controlată și repetată pe o întreagă napolitană. Când inginerii de la sfârșitul anilor 1950 au descoperit cum să construiască tranzistori pe o suprafață plană și să le conecteze împreună cu metalul depus, acel strat de oxid nativ a devenit ingredientul esențial. A servit drept barieră izolatoare între componente. Ați putea să-l creșteți termic, să gravați ferestrele prin el cu acid, să depuneți noi straturi deasupra lui și să faceți toate acestea cu suficientă precizie pentru a defini caracteristicile pe care ochiul nu le poate vedea.

Germaniul nu are un astfel de oxid. Dioxidul de germaniu se dizolvă în apă și se destramă la temperaturile necesare procesării semiconductoarelor. Aceasta nu a fost o problemă rezolvabilă cu o inginerie mai bună. A fost o proprietate materială și a descalificat efectiv germaniul din procesul de fabricație spre care industria convergea.

Siliciul a câștigat nu doar din cauza a ceea ce a fost, ci din cauza a ceea ce a făcut într-un mediu de fabricație. Procesul planar avea nevoie de un material cu un oxid stabil, cultivabil. Silicon avea unul. De aici a urmat totul.

 

Cum arată nouăzeci la sută din napolitanele din lume

Siliciul reprezintă acum peste nouăzeci la sută din toate plăcile semiconductoare produse la nivel global. Este substratul pentru procesoarele laptopului, memoria telefonului, senzorul de imagine din camera foto, tranzistoarele de putere din controlerul compresorului frigiderului și celulele solare care merg pe un număr tot mai mare de acoperișuri. Amploarea prezenței sale este greu de supraestimat.

O parte din ceea ce susține acest lucru este scara industrială. Construirea unei fabrici moderne de napolitane de siliciu costă între zece și douăzeci de miliarde de dolari, iar fiecare unealtă din interiorul acesteia, fiecare proces chimic, fiecare procedură de control al calității, a fost dezvoltată și perfecționată de-a lungul deceniilor având în vedere siliciul în mod special. Fotorezistele sunt formulate pentru siliciu. Chimiile de gravare sunt reglate pentru siliciu. Inginerii cunosc siliciul.

Ceea ce majoritatea oamenilor din afara industriei nu se gândesc la infrastructura de sprijin care face o rulare fabuloasă. Fabricarea semiconductoarelor depinde de un flux neîntrerupt de apă ultrapură, gaze de proces și agenți chimici agresivi care se deplasează prin sisteme de livrare atent controlate. Fiecare cale de fluid dintr-o fabrică, de la buclele de apă deionizată care clătesc napolitanele între trepte și până la liniile care transportă acid fluorhidric pentru îndepărtarea oxidului, necesită componente care pot manipula mediile corozive fără a contamina procesul. Orobinet cu bilă din oțel inoxidabileste unul dintre cele mai comune puncte de control din aceste sisteme, folosit pentru a izola liniile, a regla debitul și a permite întreținerea fără a opri o întreagă buclă. Standardele de curățenie aplicate acestor supape într-un mediu cu semiconductori sunt considerabil mai exigente decât în ​​majoritatea altor industrii, deoarece chiar și urmele de contaminare cu metal de la un fiting prost specificat poate distruge un întreg lot de napolitane. Din acest motiv, inginerii fab tratează selecția fiecărui robinet cu bilă din oțel inoxidabil dintr-un sistem de livrare a substanțelor chimice cu aceeași seriozitate pe care o aduc specificarii echipamentelor de proces, revizuirii certificărilor materialelor, standardelor de finisare a suprafeței și nivelurilor de contaminanți extractibili înainte ca o singură supapă să fie instalată pe linie.

Acesta este stratul industriei care apare rar în acoperirea cipurilor și fabricației, dar este la fel de esențial ca și mașinile de litografie în sine. Când oamenii vorbesc că lanțul de aprovizionare cu semiconductori este dificil de replicat sau relocat, ei vorbesc parțial despre acest lucru: specificitatea acumulată a fiecărei componente din proces, până la fitinguri și hardware-ul de control al fluxului din interiorul unui dulap de livrare a produselor chimice.

 

Robinet cu bilă din oțel inoxidabil LEADTEK 2PC

 

Locurile în care Silicon se epuizează

Siliciul are limite reale și, în anumite aplicații, acele limite au încetat să mai fie preocupări teoretice și au început să fie adevărate probleme de inginerie.

Nitrura de galiu are o bandă interzisă de 3,4 electroni volți, de peste trei ori mai mare decât cea a siliciului. Acest decalaj mai larg permite tranzistorilor GaN să blocheze tensiuni mai mari, să comute la frecvențe mai mari și să disipeze căldura mai eficient decât un dispozitiv din siliciu de dimensiuni comparabile. Încărcătoarele rapide care sunt livrate cu smartphone-urile și laptopurile actuale folosesc tranzistoare de putere GaN mai degrabă decât cele din silicon, motiv pentru care pot încărca 60 sau 100 de wați de capacitate de încărcare în ceva suficient de mic pentru a uita în buzunarul unei jachete. Siliciul ar avea nevoie de un dispozitiv fizic mai mare pentru a face aceeași treabă la aceeași eficiență. Amplificatoarele GaN sunt, de asemenea, esențiale pentru infrastructura stației de bază 5G, unde limitele de frecvență ale siliciului devin un plafon dur, mai degrabă decât un ghid ușor.

Carbura de siliciu joacă un rol similar la niveluri de putere mai ridicate, în special acolo unde îndepărtarea căldurii este constrângerea obligatorie. Conductivitatea sa termică este de aproximativ trei ori mai mare decât cea a siliciului, ceea ce contează atunci când direcționați sute de kilowați prin invertorul unui vehicul electric. Câțiva producători importanți și-au mutat invertoarele de tracțiune de la IGBT-uri de siliciu la module cu carbură de siliciu, iar câștigurile de eficiență au fost suficient de reale pentru a apărea în cifrele domeniului de rulare.

Dincolo de aceste două, există materiale care generează un interes considerabil de cercetare, dar nu au intrat încă în producția de masă. Oxidul de galiu are o bandgap care se apropie de cinci electroni volți și caracteristici teoretice de defalcare care l-ar face util în aplicații de foarte înaltă tensiune, dar tehnologia pentru creșterea-plachetelor fără defecte la scară este încă în curs de elaborare. Mobilitatea electronilor grafenului este teoretic de aproximativ două sute de mii de centimetri pătrați pe volt-secundă, un număr care depășește cel de 1400 de siliciu, iar cercetătorii au indicat acest număr timp de aproape douăzeci de ani, în timp ce tranzistorii de grafen practici care concurează efectiv cu siliciul într-un circuit real rămân în mare parte inaccesibili.

 

Poziția cinstită

Siliciul este cel mai comun semiconductor și va rămâne așa pentru mai mult timp decât vor vedea majoritatea oamenilor care lucrează în prezent în industrie. GaN și SiC nu înlocuiesc siliciul în mare măsură. Ei câștigă colțurile specifice ale pieței în care fizica siliciului a încetat cu adevărat să fie adecvată, iar siliciul cedează acele colțuri fără prea multă luptă, deoarece economia de acolo s-a schimbat împotriva lui.

Ceea ce se schimbă de fapt este ceva mai subtil. Pentru cea mai mare parte a istoriei industriei semiconductoarelor, siliciul nu a fost doar cel mai comun material. Era materialul presupus, punctul de plecare pentru orice conversație de design, implicit de la care ai plecat doar atunci când aveai un motiv neobișnuit de puternic. Această presupunere se slăbește la margini. Nu se prăbușește, nu este răsturnat, doar slăbirea. Cel mai comun semiconductor este încă siliciul. Cea mai interesantă întrebare în materialele semiconductoare în acest moment este unde siliciul încetează să fie răspunsul evident și ce umple spațiul pe care îl lasă în urmă.