Mikä on yleisin puolijohde? Tarina Siliconin kuristuksen takana modernissa elektroniikassa

Kävele mihin tahansa elektroniikkalaboratorioon ja kysy, mikä materiaali pitää insinöörit työllistettynä, niin kuulet saman sanan joka kerta. Pii. Se on ollut vastaus niin kauan, että kysymystä tuskin enää kysytään. Kokonainen Kalifornian alue kantaa nimeään. Maailman suurimmat yritykset rakentuvat sen varaan, kirjaimellisesti ja taloudellisesti. Mutta pii ei päässyt tähän asemaan, koska joku päätti sen olevan paras kuviteltavissa oleva puolijohde. Se saavutti hyvän kemian, onnellisen ajoituksen ja sellaisen teollisen vauhdin yhdistelmän, jota on lähes mahdotonta kääntää, kun se käynnistyy.

 

 

Puolijohde

 

Se ei alkanut silikonista

Ensimmäinen transistori ei ollut valmistettu piistä. Kun Bardeen ja Brattain esittelivät laitettaan Bell Labsissa joulukuussa 1947, heidän kultakoskettimiensa alla oleva materiaali oli germaniumia. Tähän oli hyvät syyt. Germaniumia oli helpompi puhdistaa varhaisen puolijohdetyön vaatimille tasoille, ja elektronit liikkuivat sen läpi vapaammin kuin piin läpi tutkijoiden käyttämillä jännitteillä. Jos olisit ollut fyysikko vuonna 1950 ja lyönyt vetoa siitä, mikä materiaali tulee hallitsemaan elektroniikkateollisuutta, germanium ei olisi ollut kohtuuton valinta.

Se hävisi joka tapauksessa. Ja tapa, jolla se hävisi, kertoo jotain tärkeää siitä, miten teknologia todella kehittyy, mikä harvoin kulkee alussa lupaavimmalta näyttävällä polulla.

Germaniumin kohtalokas vika oli lämpö. Sen kaistanväli on 0,67 elektronivolttia, joka on tarpeeksi kapea, jotta lämpötilan nousu sai laitteet vuotamaan virtaa tavoilla, joita insinöörit eivät voineet helposti hallita. Laita germaniumtransistori sotilaslaitteiston sisään tai lähelle lämmintä tyhjiöputkea tai yksinkertaisesti laitteeseen, joka oli ollut käynnissä tunnin ajan, ja sen käyttäytyminen muuttuu. Tällainen arvaamattomuus on siedettävää laboratoriossa. Se ei ole siedettävä tuotteessa.

 

Lasikerros, joka muutti valmistusta

Piin bandgap on 1,1 elektronivolttia, mikä antoi sille merkittävästi paremman lämpöstabiilisuuden. Piihin rakennetut laitteet voisivat toimia luotettavasti lämpötiloissa, jotka aiheuttivat germaniumin huonon toiminnan. Pelkästään se saattoi riittää kaatamaan tasapainon. Mutta piillä oli toinen etu, jota kukaan ei ollut täysin odottanut, ja se osoittautui tärkeämmäksi kuin millään muulla.

Kun pii on alttiina hapelle, se kasvattaa pinnalle ohuen, kovan, tasaisen kerroksen piidioksidia. Piidioksidi on sähköä eristävä, kemiallisesti stabiili ja sitoutuu sen alla olevaan piiin konsistenssilla, jota voidaan hallita ja toistaa koko kiekon läpi. Kun insinöörit 1950-luvun lopulla kehittelivät transistorien rakentamista tasaiselle pinnalle ja johdotusta yhteen kerrostuneen metallin kanssa, siitä luonnollisesta oksidikerroksesta tuli olennainen ainesosa. Se toimi eristävänä esteenä komponenttien välillä. Voit kasvattaa sitä termisesti, syövyttää ikkunat sen läpi hapolla, kerrostaa uusia kerroksia sen päälle ja tehdä kaiken tämän riittävän tarkasti määrittääksesi piirteet, joita silmä ei näe.

Germaniumissa ei ole tällaista oksidia. Germaniumdioksidi liukenee veteen ja hajoaa puolijohdekäsittelyn edellyttämissä lämpötiloissa. Tämä ei ollut ratkaistava ongelma paremmalla suunnittelulla. Se oli aineellinen ominaisuus, ja se käytännössä esti germaniumin valmistusprosessista, johon teollisuus lähentyi.

Pii ei voittanut pelkästään sen vuoksi, mitä se oli, vaan sen vuoksi, mitä se teki valmistusympäristössä. Tasomaisessa prosessissa tarvittiin materiaalia, jossa oli vakaa, kasvava oksidi. Siliconilla oli sellainen. Kaikki muu seurasi siitä.

 

Miltä yhdeksänkymmentä prosenttia maailman kiekoista näyttää

Piin osuus on nyt yli 90 prosenttia kaikista maailmanlaajuisesti valmistetuista puolijohdekiekoista. Se on alusta kannettavan tietokoneen prosessoreille, puhelimesi muistille, kamerasi kuvasensorille, jääkaapin kompressoriohjaimen tehotransistoreille ja yhä useammalle katolle meneville aurinkokennoille. Sen läsnäolon laajuutta on vaikea yliarvioida.

Osa tätä ylläpitää on pelkkä teollinen mittakaava. Nykyaikaisen piikiekkojen valmistuslaitoksen rakentaminen maksaa noin 10–20 miljardia dollaria, ja jokainen sen sisällä oleva työkalu, jokainen kemiallinen prosessi, jokainen laadunvalvontamenettely on kehitetty ja jalostettu vuosikymmenten aikana erityisesti piitä ajatellen. Fotoresistit on suunniteltu piille. Etch-kemiat on viritetty piille. Insinöörit tuntevat piin.

Se, mitä useimmat alan ulkopuoliset ihmiset eivät ajattele, on tukeva infrastruktuuri, joka tekee upeasta toiminnasta. Puolijohteiden valmistus riippuu erittäin puhtaan veden, prosessikaasujen ja aggressiivisten kemiallisten etsausaineiden jatkuvasta virtauksesta, joka kulkee tarkasti valvottujen jakelujärjestelmien kautta. Jokainen laitoksen nestereitti, ionivaihdettu vesisilmukoista, jotka huuhtelevat kiekkoja vaiheiden välillä, linjoihin, jotka kuljettavat fluorivetyhappoa oksidin poistoa varten, vaatii komponentteja, jotka pystyvät käsittelemään syövyttäviä aineita kontaminoimatta prosessia. Aruostumattomasta teräksestä valmistettu palloventtiilion yksi yleisimmistä ohjauspisteistä näissä järjestelmissä, jota käytetään eristämään linjoja, säätämään virtausta ja mahdollistamaan huolto ilman koko silmukan sulkemista. Puolijohdeympäristössä näihin venttiileihin sovellettavat puhtausstandardit ovat huomattavasti tiukemmat kuin useimmilla muilla teollisuudenaloilla, koska jopa metallijäämät huonosti määritellystä liittimestä voivat pilata koko kiekkoerän. Tästä syystä fab-insinöörit kohtelevat jokaisen ruostumattomasta teräksestä valmistettujen palloventtiilien valintaa kemikaalien jakelujärjestelmässä samalla vakavuudella, kun he määrittävät prosessilaitteita, tarkistavat materiaalisertifikaatit, pinnan viimeistelystandardit ja poistettavien epäpuhtauksien tasot ennen kuin yksittäinen venttiili asennetaan linjalle.

Tämä on teollisuuden kerros, joka harvoin esiintyy sirujen ja valmistuksen kattavuudessa, mutta se on yhtä tärkeä kuin itse litografiakoneet. Kun ihmiset puhuvat siitä, että puolijohteiden toimitusketjua on vaikea jäljitellä tai siirtää, he puhuvat osittain tästä: prosessin jokaisen komponentin kertyneestä spesifisyydestä aina kemikaalien toimituskaapin sisällä oleviin liittimiin ja virtauksensäätölaitteistoon.

 

LEADTEK 2PC ruostumattomasta teräksestä valmistettu kuulaventtiili

 

Places Silicon loppuu tieltä

Piillä on aidot rajat, ja tietyissä sovelluksissa ne ovat lakanneet olemasta teoreettisia huolenaiheita ja alkaneet olla todellisia teknisiä ongelmia.

Galliumnitridin kaistanrako on 3,4 elektronivolttia, yli kolme kertaa piitä suurempi. Tämä leveämpi rako antaa GaN-transistoreille mahdollisuuden estää korkeammat jännitteet, vaihtaa korkeammilla taajuuksilla ja haihduttaa lämpöä tehokkaammin kuin vastaavan kokoinen piilaite. Nykyisten älypuhelimien ja kannettavien tietokoneiden mukana toimitettavat pikalaturit käyttävät GaN-tehotransistoreja piin sijaan, minkä vuoksi niihin mahtuu kuusikymmentä tai sata wattia latauskapasiteettia johonkin, joka on tarpeeksi pieni, jotta se voidaan unohtaa takin taskuun. Pii tarvitsisi fyysisesti suuremman laitteen tehdäkseen saman työn samalla tehokkuudella. GaN-vahvistimet ovat myös keskeisiä 5G-tukiasemainfrastruktuurissa, jossa piin taajuusrajoista tulee pikemminkin kova katto kuin pehmeä ohje.

Piikarbidilla on samanlainen rooli korkeammilla tehotasoilla, erityisesti kun lämmönpoisto on sitova rajoitus. Sen lämmönjohtavuus on noin kolme kertaa piin johtavuus, millä on merkitystä, kun reitität satoja kilowatteja sähköajoneuvon invertterin läpi. Useat suuret valmistajat ovat siirtäneet vetoinvertterinsä pii-IGBT-moduuleista piikarbidimoduuleihin, ja tehokkuusedut ovat olleet tarpeeksi todellisia näkyäkseen ajoetäisyysluvuissa.

Näiden kahden lisäksi on materiaaleja, jotka herättävät huomattavaa tutkimuskiinnostusta, mutta jotka eivät ole vielä siirtyneet valtavirtaan. Galliumoksidin kaistanrako lähestyy viittä elektronivolttia ja teoreettiset läpilyöntiominaisuudet, jotka tekisivät siitä hyödyllisen erittäin korkeajännitesovelluksissa, mutta tekniikkaa viattomien -kiekkojen kasvattamiseksi mittakaavassa on edelleen kehitteillä. Grafeenin elektronien liikkuvuus on teoriassa noin kaksisataatuhatta neliösenttimetriä volttisekunnissa, luku, joka on kääpiöpiin neljätoistasataa, ja tutkijat ovat osoittaneet tätä lukua suurimman osan 20 vuoden ajan, kun taas käytännölliset grafeenitransistorit, jotka kilpailevat piin kanssa todellisessa piirissä, ovat suurelta osin ulottumattomissa.

 

Rehellinen kanta

Pii on yleisin puolijohde, ja se pysyy sellaisena pidempään kuin useimmat tällä hetkellä alalla työskentelevät ihmiset näkevät. GaN ja SiC eivät syrjäytä piitä laajasti. He voittavat markkinoiden tietyt kulmat, joissa piin fysiikka on todella lakannut olemasta riittävä, ja pii luovuttaa nämä kulmat ilman suurta taistelua, koska siellä oleva talous on kääntynyt sitä vastaan.

Se, mikä itse asiassa muuttuu, on jotain hienovaraisempaa. Suurimman osan puolijohdeteollisuuden historiasta pii ei ollut vain yleisin materiaali. Se oli oletettu materiaali, lähtökohta kaikelle suunnittelukeskustelulle, oletus, josta poikkesit vasta, kun sinulla oli epätavallisen painava syy siihen. Tämä oletus on löystymässä reunoilla. Ei romahda, ei kaadu, vaan löystyy. Yleisin puolijohde on edelleen pii. Puolijohdemateriaalien kiinnostavin kysymys tällä hetkellä on, missä pii lakkaa olemasta itsestään selvä vastaus ja mikä täyttää sen jättämän tilan.