3 põhjust, miks räni on kiibi tootmiseks ideaalne pooljuht

Paljud meie igapäevased elektroonikaseadmed toetuvad ühel või teisel viisil transistoridele. Transistorid on elektroonilised komponendid, mida kasutatakse seadet läbiva voolu juhtimiseks. Need toimivad elektrooniliselt juhitavate lülititena, mis lülituvad sisse ja välja, pakkudes kahendsignaale, mida seadmed saavad andmete töötlemiseks kasutada.

Nagu võite ette kujutada, on transistorid peaaegu kõigis elektroonilistes seadmetes, mida te igapäevaselt kasutate. Transistore saab valmistada mitme tooraine baasil. Kuid tootjad eelistavad kasutada räni mis tahes muu materjali ees. Siin on kolm põhjust, miks.

1. Räni on odav

Räni on maapõues hapniku järel suuruselt teine ​​element. Kuigi puhas räni on haruldane, on sellised materjalid nagu ränidioksiid (SiO2) rannas või muus liivases keskkonnas hõlpsasti kättesaadavad.

Ränidioksiid võib rannas tavaliselt tuvastada läikivate teradena, mis päikesepaistelisel päeval liiva käsitsemisel sädelevad.

Rand ei ole aga hea koht räni hankimiseks. Rannaliivas on liiga palju lisandeid, mistõttu ränidioksiidi ja muude materjalide suhe pole ideaalne. Tootjad ostaksid räni tarnijatelt või kaevandaksid materjale ise kohtades, kus ränidioksiidi kontsentratsioon on tihe.

Võrreldes teiste metalloidmaterjalidega, on ränil palju lihtsam ja arusaadavam puhastada. Kuna ränidioksiid koosneb ainult räni ja hapniku kombinatsioonist, siis piisab, kui eemaldada hapnikuosakesed ja alles jääb puhas räni.

Protsess seisneb süsiniku sisestamises ränidioksiidiga ahjus, mis on kuumutatud temperatuurini 3632 kraadi Fahrenheiti (2000 kraadi Celsiuse järgi). Kuumusest saadav energia purustaks räni ja hapniku. Aatomistruktuuride põhjal seostub hapnik tõenäolisemalt süsinikuga, jättes protsessi väga kontsentreeritud räni.

2. Räni kasutatakse kiipide töötlemisel kasutatavate MOSFET-ide valmistamiseks

MOSFET-id (metall-oksiid-räni väljatransistor) on ideaalne transistoride tüüp protsessorite ja mälu (nt CPU-d, RAM-id, SSD-d ja mälupulgad) valmistamiseks. Nagu nimigi viitab, on MOSFET-id valmistatud ränist. MOSFETSidel on mitu omadust, mis muudavad need ideaalseteks komponentideks töötlemiskiipide valmistamiseks. Need hõlmaksid järgmist:

• Energiatõhusus. Erinevalt teistest transistoridest juhitakse MOSFETS-e pinge, mitte voolu abil. Paisu reguleeriva pinge ja transistori läbiva minimaalse vooluhulgaga kulub vähem energiat.
• Kõrgsageduslik ümberlülitus. Ainult minimaalse voolu kasutamine MOSFET-i SISSE ja VÄLJA lülitamiseks muudab seda tüüpi transistorid ideaalseks kõrgsageduslike rakenduste jaoks, näiteks protsessoritel.
• Madal elektromagnetilised häired. Madalad voolud takistavad MOSFETSidel tekitada elektromagnetilisi häireid, mis võivad mõjutada teisi selle kõrval olevaid komponente. Ilma elektromagnetiliste häirete pärast muretsemata suutsid insenerid need nii tihedatesse vormingutesse pakkida.
• Looduslik isolatsioon. Ränil on omadused, mis loovad looduslikult esineva isolatsiooni. Teine põhjus, miks MOSFETSi saab tihedalt pakendada, on selle looduslik isolatsioon.
• Suured termid. Suured voolud muudavad juhid kuumaks. Kuna MOSFET-id ei kasuta palju voolu, ei kuumene need nii palju – kui te neid muidugi üle ei kiirenda.
• Ülekiiretav. Madala kuumusega töötamine tähendab ka seda, et lülititena kasutatavaid MOSFETS-e saab teist tüüpi transistoridega võrreldes palju rohkem drosseldada.

Oma paljude eeliste ja rakendustega on MOSFETS-id elektroonikakiibi komponentide valmistamisel eelistatud transistor, kuid milleks üldse kasutada väljatransistoride valmistamiseks räni? Miks mitte muid elemente?

Transistoride valmistamisel peavad tootjad kasutama pooljuhtivate omadustega elementi, näiteks räni. Pooljuhid on metalloidid, mis ei ole ei juht ega isolaator. Nad lasevad endiselt voolu läbi nende, kuid väga ebaefektiivsel viisil.

Puhas räni on loomulikult halb juht. Lisades lisandeid, nagu boor ja fosfor, suutsid insenerid aga muuta elektrit juhtivaid omadusi. pooljuhid, mis võimaldavad transistoridel pinge sisestamisel lülituda juhilt isolaatorile, sarnaselt lüliti.

Seotud: Mis teeb Apple'i iPhone'i kiibid nii eriliseks?

3. Lihtne valmistamisprotsess

Kuigi teistel pooljuhtidel on omadused, mis võimaldavad valmistada paremaid väljatransistore, on räni valmistamise lihtsuse tõttu siiski eelistatud materjal. See tähendab vähem keerukust, mis tähendab, et eritööriistadele ja täiendavale töötlemisele kulutatakse vähem raha.

Üks peamisi põhjusi, miks räniga on lihtsam töötada, on selle kõrge sulamistemperatuur. Räni sulamistemperatuur on 2570 kraadi Fahrenheiti (1410 kraadi Celsiuse järgi). Kõrge sulamistemperatuuriga materjal on mikrokiipide valmistamisel hädavajalik, eriti kui need rakendavad gate-last tootmine, mis tutvustab näivväravat, mida kasutatakse kohahoidjana vormi valmistamiseks, kus tegelik aktiivne värav peab olema paigaldatud.

Teine omadus, mis muudab räni valmistamise lihtsamaks, on selle looduslikult esinev isoleeriv omadus. Kui hapnik juhitakse ülemistesse ränikihtidesse, moodustavad need metalloksiid-räni (klaasi) kihi. Klaas on suurepärane isolaator isegi õhukeste kihtide korral, võimaldades tootjatel saada tasuta isolatsiooni, säästes sellega tonni kulusid ja tootmisaega.

Lisaks sellele, et räni tootmine on odav, on see palju olulisem kui mis tahes muu pooljuhtide tootmine turul. Kuna räni on hõlpsasti saadaval, ei pea tootjad muretsema selle pärast, et toorained saavad otsa, säästes taas aega ja valmistades rohkem mikrokiipe, mis tähendab suuremat kasumit.

Seotud: Mis on süsteem kiibil (SoC)?

Räni on kõikjal

Räni on ülim pooljuht, mis võimaldas meie maailmal õitseda ja olla praegune tehnoloogiline suurkuju. See vastutab teatud tehnoloogia võimalikuks muutmise eest ja on ka põhjus, miks suurem osa maailmast saab tehnoloogiat nautida.

Kuigi ränil on palju tootmise eeliseid, mis muudavad tehnoloogiatööstuse kasumlikumaks, saate räni tootmisest kasu ka teie, tarbija. Elektroonikaseadmed, nagu nutitelefonid, arvutid, mängukonsoolid, televiisorid, CMOS-kaamerad ja kõik muud nutiseadmed on tehtud taskukohaseks tänu madalale toorainehinnale ja lihtsamale tootmine.

Ränil on nii suur osa meie elust, et raudselt tuleb räni (ebapuhas räni) kaevandada liivasest keskkonnast, samas kui puhast räni võib leida laiali üle kogu meie majapidamise.

Kui Moore'i seadus lõpeb: 3 alternatiivi ränikiibidele

Moore'i seadus on tehnoloogilise arengu tempot dikteerinud aastakümneid. Mis saab aga siis, kui selle füüsilised piirid on täis?

Loe edasi

Autori kohta