3 λόγοι για τους οποίους το πυρίτιο είναι ο ιδανικός ημιαγωγός για την κατασκευή τσιπ

Πολλές από τις καθημερινές ηλεκτρονικές συσκευές μας βασίζονται σε τρανζίστορ με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Τα τρανζίστορ είναι ηλεκτρονικά εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ροής του ρεύματος που διέρχεται από μια συσκευή. Λειτουργούν ως ηλεκτρονικά ελεγχόμενοι διακόπτες που ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται, παρέχοντας δυαδικά σήματα που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι συσκευές για την επεξεργασία δεδομένων.

Όπως μπορείτε να φανταστείτε, τα τρανζίστορ υπάρχουν σχεδόν σε κάθε ηλεκτρονική συσκευή που χρησιμοποιείτε καθημερινά. Τα τρανζίστορ μπορούν να κατασκευαστούν με βάση διάφορες πρώτες ύλες. Ωστόσο, οι κατασκευαστές προτιμούν να χρησιμοποιούν πυρίτιο πάνω από οποιοδήποτε άλλο υλικό. Εδώ είναι τρεις λόγοι.

1. Το πυρίτιο είναι φθηνό

Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της γης μετά το οξυγόνο. Αν και το καθαρό πυρίτιο είναι σπάνιο, υλικά όπως το πυρίτιο (SiO2) είναι άμεσα διαθέσιμα σε κοινή θέα στην παραλία ή σε άλλα αμμώδη περιβάλλοντα.

Συνήθως θα μπορούσατε να αναγνωρίσετε το πυρίτιο στην παραλία ως τους γυαλιστερούς κόκκους που αστράφτουν όταν χειρίζεστε την άμμο μια ηλιόλουστη μέρα.

Η παραλία, ωστόσο, δεν είναι καλό μέρος για να προμηθευτείτε πυρίτιο. Η άμμος της παραλίας έχει πάρα πολλές ακαθαρσίες που η αναλογία πυριτίου και άλλων υλικών δεν είναι ιδανική. Οι κατασκευαστές είτε θα αγόραζαν από παρόχους πυριτίου είτε θα εξόρυζαν οι ίδιοι τα υλικά σε μέρη όπου οι συγκεντρώσεις πυριτίου είναι πυκνές.

Σε σύγκριση με άλλα μεταλλοειδή υλικά, το πυρίτιο έχει έναν πολύ ευκολότερο και απλό τρόπο καθαρισμού. Δεδομένου ότι το πυρίτιο είναι μόνο πυρίτιο και οξυγόνο σε συνδυασμό, το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να αφαιρέσετε τα σωματίδια οξυγόνου και θα μείνετε με καθαρό πυρίτιο.

Η διαδικασία είναι η εισαγωγή άνθρακα με το πυρίτιο σε έναν κλίβανο που θερμαίνεται στους 3.632 βαθμούς Φαρενάιτ (2.000 βαθμούς Κελσίου). Η ενέργεια από τη θερμότητα θα διασπούσε το πυρίτιο και το οξυγόνο. Με βάση τις ατομικές δομές, το οξυγόνο είναι πιο πιθανό να συνδεθεί με τον άνθρακα, αφήνοντας πυρίτιο υψηλής συγκέντρωσης στη διαδικασία.

2. Το πυρίτιο χρησιμοποιείται για την κατασκευή MOSFET που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία τσιπ

Τα MOSFET (μετάλλου-οξειδίου-πυριτίου-φαινόμενου τρανζίστορ) είναι ο ιδανικός τύπος τρανζίστορ για την κατασκευή επεξεργαστών και μνήμης όπως CPU, RAM, SSD και μονάδες flash. Όπως υποδηλώνει το όνομα, τα MOSFET είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο. Υπάρχουν πολλές ιδιότητες των MOSFETS που τα καθιστούν τα ιδανικά εξαρτήματα για την κατασκευή τσιπς επεξεργασίας. Αυτά θα περιλαμβάνουν:

• Απόδοση ισχύος. Σε αντίθεση με άλλα τρανζίστορ, τα MOSFET ελέγχονται από την τάση και όχι από το ρεύμα. Με την τάση που ελέγχει την πύλη και μόνο ελάχιστες ποσότητες ρεύματος που διέρχονται από το τρανζίστορ, καταναλώνεται λιγότερη ενέργεια.
• Εναλλαγή υψηλών συχνοτήτων. Η χρήση μόνο ελάχιστου ρεύματος για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του MOSFET καθιστά αυτούς τους τύπους τρανζίστορ ιδανικούς για εφαρμογές υψηλής συχνότητας, όπως σε επεξεργαστές.
• Χαμηλές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Τα χαμηλά ρεύματα εμποδίζουν τα MOSFETS να παράγουν ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές που μπορεί να επηρεάσουν άλλα εξαρτήματα δίπλα τους. Χωρίς να ανησυχούν για ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, οι μηχανικοί μπόρεσαν να τα συσκευάσουν σε τόσο πυκνά σχήματα.
• Φυσική μόνωση. Το πυρίτιο έχει ιδιότητες που κάνουν φυσική μόνωση. Ένας άλλος λόγος που τα MOSFETS μπορούν να συσκευαστούν πυκνά είναι μέσω της φυσικής μόνωσής τους.
• Υπέροχα Θερμικά. Τα υψηλά ρεύματα κάνουν τους αγωγούς ζεστούς. Δεδομένου ότι τα MOSFET δεν χρησιμοποιούν πολύ ρεύμα, δεν θερμαίνονται τόσο πολύ – εκτός και αν τα υπερχρονίσετε, φυσικά.
• Με δυνατότητα υπερχρονισμού. Η λειτουργία με χαμηλή θερμότητα σημαίνει επίσης ότι τα MOSFETS που χρησιμοποιούνται ως διακόπτες μπορούν να στραγγαλιστούν πολύ περισσότερο σε σύγκριση με άλλους τύπους τρανζίστορ.

Με τα πολλά πλεονεκτήματα και τις εφαρμογές του, τα MOSFETS είναι το τρανζίστορ της επιλογής κατά την κατασκευή εξαρτημάτων ηλεκτρονικών τσιπ, αλλά γιατί να χρησιμοποιήσετε πυρίτιο για την κατασκευή τρανζίστορ φαινομένου πεδίου εξαρχής; Γιατί όχι και άλλα στοιχεία;

Κατά την κατασκευή τρανζίστορ, οι κατασκευαστές πρέπει να χρησιμοποιούν ένα στοιχείο με ημιαγώγιμες ιδιότητες όπως το πυρίτιο. Οι ημιαγωγοί είναι μεταλλοειδή που δεν είναι ούτε αγωγοί ούτε μονωτές. Εξακολουθούν να επιτρέπουν στο ρεύμα να ρέει μέσα από αυτά, απλώς με πολύ αναποτελεσματικό τρόπο.

Το καθαρό πυρίτιο είναι φυσικά κακός αγωγός. Ωστόσο, προσθέτοντας ακαθαρσίες όπως το βόριο και ο φώσφορος, οι μηχανικοί κατάφεραν να αλλάξουν τις αγώγιμες ιδιότητες του ημιαγωγοί, που επιτρέπουν στα τρανζίστορ να αλλάζουν από αγωγό σε μονωτή όταν εισάγεται τάση, όπως ένα διακόπτης.

Σχετίζεται με: Τι κάνει τα τσιπ iPhone της Apple τόσο ξεχωριστά;

3. Εύκολη διαδικασία κατασκευής

Αν και άλλοι ημιαγωγοί έχουν ιδιότητες που μπορούν να κάνουν καλύτερα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, το πυρίτιο εξακολουθεί να είναι το προτιμώμενο υλικό λόγω της ευκολίας κατασκευής του. Αυτό σημαίνει λιγότερη πολυπλοκότητα που μεταφράζεται σε λιγότερα χρήματα που δαπανώνται για εξειδικευμένα εργαλεία και επιπλέον επεξεργασία.

Ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους το πυρίτιο είναι πιο εύκολο στην εργασία είναι λόγω του υψηλού σημείου τήξης του. Το σημείο τήξης του πυριτίου είναι 2.570 βαθμοί Φαρενάιτ (1.410 βαθμοί Κελσίου). Ένα υλικό με υψηλό σημείο τήξης είναι απαραίτητο για την κατασκευή μικροτσίπ, ειδικά εάν εφαρμόζουν gate-last κατασκευή, η οποία εισάγει μια εικονική πύλη που χρησιμοποιείται ως σύμβολο κράτησης θέσης για την κατασκευή ενός καλουπιού όπου πρέπει να βρίσκεται η πραγματική ενεργή πύλη εγκατασταθεί.

Μια άλλη ιδιότητα που κάνει το πυρίτιο πιο εύκολο στην κατασκευή είναι η φυσική μονωτική του ιδιότητα. Όταν εισάγεται οξυγόνο στα ανώτερα στρώματα πυριτίου, σχηματίζουν ένα στρώμα μεταλλικού οξειδίου-πυριτίου (γυαλί). Το γυαλί είναι ένας εξαιρετικός μονωτήρας ακόμη και σε λεπτές στρώσεις, επιτρέποντας στους κατασκευαστές να έχουν δωρεάν μόνωση, εξοικονομώντας τους έναν τόνο κόστους και χρόνου κατασκευής.

Εκτός από το ότι είναι φθηνή, η παραγωγή πυριτίου είναι επίσης πολύ πιο σημαντική από οποιαδήποτε άλλη παραγωγή ημιαγωγών στην αγορά. Με το πυρίτιο να είναι άμεσα διαθέσιμο, οι κατασκευαστές δεν χρειάζεται να ανησυχούν μήπως εξαντληθούν οι πρώτες ύλες για να εργαστούν, εξοικονομώντας και πάλι χρόνο και κάνοντας περισσότερα μικροτσίπ, πράγμα που μεταφράζεται σε μεγαλύτερο κέρδος.

Σχετίζεται με: Τι είναι ένα σύστημα σε ένα τσιπ (SoC);

Το πυρίτιο είναι παντού

Το πυρίτιο είναι ο απόλυτος ημιαγωγός που επέτρεψε στον κόσμο μας να ευημερήσει και να γίνει το τεχνολογικό μεγαθήριο που είναι σήμερα. Είναι υπεύθυνη για τη δυνατότητα ορισμένων τεχνολογιών και είναι επίσης ο λόγος για τον οποίο η πλειοψηφία του κόσμου είναι σε θέση να απολαύσει την τεχνολογία.

Αν και το πυρίτιο έχει πολλά κατασκευαστικά πλεονεκτήματα που κάνουν τον κλάδο της τεχνολογίας πιο κερδοφόρο, εσείς, ο καταναλωτής, επωφεληθείτε επίσης από την κατασκευή πυριτίου. Ηλεκτρονικές συσκευές όπως smartphone, υπολογιστές, κονσόλες παιχνιδιών, τηλεοράσεις, κάμερες CMOS και όλες οι άλλες έξυπνες συσκευές γίνονται προσιτές λόγω του χαμηλού κόστους των πρώτων υλών και ευκολότερα βιομηχανοποίηση.

Το πυρίτιο είναι τόσο μεγάλο μέρος της ζωής μας που, κατά ειρωνικό τρόπο, το πυρίτιο (ακάθαρτο πυρίτιο) πρέπει να εξορύσσεται από αμμώδη περιβάλλοντα, ενώ καθαρό πυρίτιο μπορεί να βρεθεί διάσπαρτο σε όλο το νοικοκυριό μας.

Όταν τελειώνει ο νόμος του Μουρ: 3 εναλλακτικές λύσεις στα τσιπ πυριτίου

Ο νόμος του Μουρ υπαγορεύει τον ρυθμό της τεχνολογικής ανάπτυξης για δεκαετίες. Τι γίνεται όμως όταν φτάσουμε στα φυσικά του όρια;

Διαβάστε Επόμενο

Σχετικά με τον Συγγραφέα