Beth yw'r lled-ddargludydd mwyaf cyffredin? Y Stori Tu Ôl i Detholiad Silicon Ar Electroneg Fodern

Cerddwch i mewn i unrhyw labordy electroneg a gofynnwch pa ddeunydd sy'n cadw peirianwyr yn gyflogedig, a byddwch yn clywed yr un gair bob tro. Silicon. Mae wedi bod yn ateb cyhyd fel mai prin y gofynnir y cwestiwn mwyach. Mae rhanbarth cyfan o California yn dwyn ei enw. Mae'r cwmnïau mwyaf yn y byd wedi'u hadeiladu arno, yn llythrennol ac yn ariannol. Ond ni chyrhaeddodd silicon y sefyllfa hon oherwydd penderfynodd rhywun mai hwn oedd y lled-ddargludydd gorau y gellir ei ddychmygu. Cyrhaeddodd yno trwy gyfuniad o gemeg dda, amseru ffodus, a'r math o fomentwm diwydiannol y mae bron yn amhosibl ei wrthdroi unwaith y bydd yn dechrau.

 

 

Lled-ddargludydd

 

Ni Dechreuodd Gyda Silicon

Nid oedd y transistor cyntaf wedi'i wneud o silicon. Pan ddangosodd Bardeen a Brattain eu dyfais yn Bell Labs ym mis Rhagfyr 1947, y deunydd o dan eu cysylltiadau aur oedd germanium. Roedd rhesymau da am hyn. Roedd yn haws puro Germanium i'r lefelau yr oedd eu hangen ar waith lled-ddargludyddion cynnar, a symudodd electronau drwyddo'n fwy rhydd na thrwy silicon ar y folteddau yr oedd ymchwilwyr yn eu defnyddio. Pe baech wedi bod yn ffisegydd yn 1950 yn gosod bet ar ba ddeunydd a fyddai’n dod i ddominyddu’r diwydiant electroneg, ni fyddai germanium wedi bod yn ddewis afresymol.

Collodd beth bynnag. Ac mae'r ffordd y collodd yn dweud rhywbeth pwysig am sut mae technoleg yn datblygu mewn gwirionedd, sy'n anaml ar hyd y llwybr sy'n edrych yn fwyaf addawol ar y dechrau.

Yr oedd nam angheuol yn Germanium. Mae ei fwlch band yn eistedd ar 0.67 folt electron, sy'n ddigon cul fel bod tymheredd cynyddol wedi achosi i ddyfeisiau ollwng cerrynt mewn ffyrdd na allai peirianwyr eu rheoli'n hawdd. Rhowch transistor germanium y tu mewn i ddarn o galedwedd milwrol, neu ger tiwb gwactod cynnes, neu'n syml mewn dyfais a oedd wedi bod yn rhedeg am awr, a byddai ei ymddygiad yn newid. Mae'r math hwnnw o anrhagweladwyedd yn oddefadwy mewn labordy. Nid yw'n oddefadwy mewn cynnyrch.

 

Haen o Wydr a Newidiodd Gynhyrchu

Mae gan Silicon fwlch band o 1.1 folt electron, a roddodd sefydlogrwydd thermol ystyrlon gwell iddo. Gallai dyfeisiau a adeiladwyd ar silicon redeg yn ddibynadwy ar dymheredd a achosodd i germaniwm gamymddwyn. Efallai bod hynny ar ei ben ei hun yn ddigon i roi hwb i'r fantol. Ond roedd gan silicon ail fantais nad oedd neb wedi'i rhagweld yn llawn, a daeth yn bwysicach na dim arall.

Pan fydd silicon yn agored i ocsigen mae'n tyfu haen denau, galed, unffurf o silicon deuocsid ar ei wyneb. Mae silicon deuocsid yn insiwleiddio'n drydanol, yn sefydlog yn gemegol, ac yn bondio i'r silicon oddi tano gyda chysondeb y gellir ei reoli a'i ailadrodd ar draws wafer cyfan. Pan oedd peirianwyr ar ddiwedd y 1950au yn gweithio allan sut i adeiladu transistorau ar arwyneb gwastad a'u gwifrau ynghyd â metel wedi'i adneuo, daeth yr haen ocsid brodorol honno'n gynhwysyn hanfodol. Roedd yn rhwystr inswleiddio rhwng cydrannau. Gallech ei dyfu'n thermol, ysgythru ffenestri trwyddo ag asid, gosod haenau newydd ar ei ben, a gwneud hyn i gyd yn ddigon manwl gywir i ddiffinio nodweddion na all y llygad eu gweld.

Nid oes gan Germanium ocsid o'r fath. Mae Germanium deuocsid yn hydoddi mewn dŵr ac yn disgyn yn ddarnau ar y tymereddau y mae prosesu lled-ddargludyddion eu hangen. Nid oedd hon yn broblem y gellir ei datrys gyda gwell peirianneg. Roedd yn eiddo materol, ac i bob pwrpas roedd yn anghymhwyso germaniwm o'r broses weithgynhyrchu yr oedd y diwydiant yn cydgyfeirio arni.

Enillodd Silicon nid yn unig oherwydd yr hyn ydoedd, ond oherwydd yr hyn a wnaeth y tu mewn i amgylchedd saernïo. Roedd angen deunydd ag ocsid sefydlog y gellir ei dyfu ar gyfer y broses planar. Roedd gan Silicon un. Roedd popeth arall yn dilyn o hynny.

 

Sut Mae Naw deg y cant o Wafferi'r Byd yn Edrych

Mae silicon bellach yn cyfrif am fwy na naw deg y cant o'r holl wafferi lled-ddargludyddion a gynhyrchir yn fyd-eang. Dyma'r swbstrad ar gyfer y proseswyr yn eich gliniadur, y cof yn eich ffôn, y synhwyrydd delwedd yn eich camera, y transistorau pŵer yn rheolydd cywasgydd eich oergell, a'r celloedd solar yn mynd i nifer cynyddol o doeon. Mae'n anodd gorbwysleisio ehangder ei bresenoldeb.

Rhan o'r hyn sy'n cynnal hyn yw graddfa ddiwydiannol serth. Mae planhigyn gwneuthuriad waffer silicon modern yn costio rhywle rhwng deg ac ugain biliwn o ddoleri i'w adeiladu, ac mae pob offeryn y tu mewn iddo, pob proses gemegol, pob gweithdrefn rheoli ansawdd, wedi'i ddatblygu a'i fireinio dros ddegawdau gyda silicon yn benodol mewn golwg. Mae'r ffotoresyddion yn cael eu llunio ar gyfer silicon. Mae'r cemegau etch yn cael eu tiwnio ar gyfer silicon. Mae'r peirianwyr yn gwybod silicon.

Yr hyn nad yw'r rhan fwyaf o bobl y tu allan i'r diwydiant yn meddwl amdano yw'r seilwaith ategol sy'n gwneud rhediad gwych. Mae gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion yn dibynnu ar lif di-dor o ddŵr pur iawn, nwyon proses, ac ysgythriadau cemegol ymosodol yn symud trwy systemau dosbarthu a reolir yn ofalus. Mae angen cydrannau sy'n gallu trin cyfryngau cyrydol heb halogi'r broses ar gyfer pob llwybr hylif mewn ffab, o'r dolenni dŵr wedi'u dadioneiddio sy'n rinsio wafferi rhwng grisiau i'r llinellau sy'n cario asid hydrofluorig ar gyfer tynnu ocsid. Afalf pêl dur di-staenyw un o'r pwyntiau rheoli mwyaf cyffredin yn y systemau hyn, a ddefnyddir i ynysu llinellau, rheoleiddio llif, a chaniatáu cynnal a chadw heb gau dolen gyfan i lawr. Mae'r safonau glendid a gymhwysir i'r falfiau hyn mewn amgylchedd lled-ddargludyddion yn llawer mwy heriol nag yn y rhan fwyaf o ddiwydiannau eraill, oherwydd gall hyd yn oed olrhain halogiad metel o ffitiad a nodir yn wael ddifetha swp cyfan wafferi. Am y rheswm hwn, mae peirianwyr gwych yn trin dewis pob falf pêl dur di-staen mewn system dosbarthu cemegol gyda'r un difrifoldeb ag y maent yn ei ddwyn i nodi offer proses, adolygu ardystiadau deunydd, safonau gorffeniad wyneb, a lefelau halogion y gellir eu tynnu cyn gosod falf sengl ar y llinell.

Dyma'r haen o'r diwydiant sy'n ymddangos yn anaml mewn ymdriniaeth o sglodion a gwneuthuriad, ond mae mor hanfodol â'r peiriannau lithograffeg eu hunain. Pan fydd pobl yn siarad am y ffaith ei bod yn anodd dyblygu neu adleoli'r gadwyn gyflenwi lled-ddargludyddion, maent yn siarad yn rhannol am hyn: penodoldeb cronedig pob cydran yn y broses, i lawr i'r ffitiadau a'r caledwedd rheoli llif y tu mewn i gabinet dosbarthu cemegol.

 

Falf Ball Dur Di-staen LEADTEK 2PC

 

Y Lleoedd Mae Silicon yn Rhedeg Allan o'r Ffordd

Mae gan Silicon derfynau gwirioneddol, ac mewn rhai cymwysiadau mae'r terfynau hynny wedi peidio â bod yn bryderon damcaniaethol ac wedi dechrau bod yn broblemau peirianneg go iawn.

Mae gan Gallium nitride fwlch band o 3.4 folt electron, mwy na thair gwaith silicon. Mae'r bwlch ehangach hwnnw'n gadael i drawsistorau GaN rwystro folteddau uwch, newid ar amleddau uwch, a gwasgaru gwres yn fwy effeithiol na dyfais silicon o faint tebyg. Mae'r gwefrwyr cyflym sy'n cludo gyda ffonau smart a gliniaduron cyfredol yn defnyddio transistorau pŵer GaN yn hytrach na rhai silicon, a dyna pam y gallant ffitio chwe deg neu gant o wat o allu gwefru i rywbeth digon bach i'w anghofio mewn poced siaced. Byddai angen dyfais gorfforol fwy ar Silicon i wneud yr un gwaith ar yr un effeithlonrwydd. Mae mwyhaduron GaN hefyd yn ganolog i seilwaith gorsaf sylfaen 5G, lle mae terfynau amlder silicon yn dod yn nenfwd caled yn hytrach na chanllaw meddal.

Mae silicon carbid yn chwarae rhan debyg ar lefelau pŵer uwch, yn enwedig pan mai tynnu gwres yw'r cyfyngiad rhwymol. Mae ei ddargludedd thermol tua theirgwaith yn fwy na silicon, sy'n bwysig pan fyddwch chi'n llwybro cannoedd o gilowat trwy wrthdröydd cerbyd trydan. Mae sawl gweithgynhyrchydd mawr wedi symud eu gwrthdroyddion tyniant o IGBTs silicon i fodiwlau carbid silicon, ac mae'r enillion effeithlonrwydd wedi bod yn ddigon go iawn i ddangos yn ffigurau ystod gyrru.

Y tu hwnt i'r ddau hyn mae yna ddeunyddiau sy'n cynhyrchu cryn ddiddordeb ymchwil ond nad ydynt eto wedi croesi i gynhyrchu prif ffrwd. Mae gan Gallium ocsid fwlch band sy'n agosáu at bum folt electron a nodweddion dadansoddiad damcaniaethol a fyddai'n ei wneud yn ddefnyddiol mewn cymwysiadau foltedd uchel iawn, ond mae'r dechnoleg ar gyfer tyfu wafferi rhydd o ddiffygion ar raddfa yn dal i gael ei gweithio allan. Yn ddamcaniaethol, mae symudedd electronau Graphene tua dau gan mil o gentimetrau sgwâr fesul folt-yn ail, sef nifer sy'n bychanu pedwar cant ar ddeg silicon, ac mae ymchwilwyr wedi bod yn pwyntio at y nifer hwnnw am y rhan well o ugain mlynedd tra bod transistorau graphene ymarferol sydd mewn gwirionedd yn cystadlu â silicon mewn cylched go iawn yn parhau i fod allan o gyrraedd i raddau helaeth.

 

Y Safbwynt Gonest

Silicon yw'r lled-ddargludydd mwyaf cyffredin, a bydd yn parhau felly am gyfnod hwy nag y bydd y rhan fwyaf o'r bobl sy'n gweithio yn y diwydiant ar hyn o bryd i'w weld. Nid yw GaN a SiC yn disodli silicon yn fras. Maent yn ennill corneli penodol y farchnad lle mae ffiseg silicon wedi rhoi'r gorau i fod yn ddigonol mewn gwirionedd, ac mae silicon yn ildio'r corneli hynny heb lawer o frwydr oherwydd bod yr economeg yno wedi symud yn ei herbyn.

Mae'r hyn sy'n newid mewn gwirionedd yn rhywbeth mwy cynnil. Am y rhan fwyaf o hanes y diwydiant lled-ddargludyddion, nid dim ond y deunydd mwyaf cyffredin oedd silicon. Y deunydd tybiedig, y man cychwyn ar gyfer unrhyw sgwrs dylunio, y rhagosodiad y gwnaethoch chi ymadael ag ef yn unig pan oedd gennych reswm anarferol o gryf drosto. Mae'r dybiaeth honno'n llacio ar yr ymylon. Peidio â dymchwel, peidio â chael eich dymchwel, dim ond llacio. Y lled-ddargludydd mwyaf cyffredin yw silicon o hyd. Y cwestiwn mwyaf diddorol mewn deunyddiau lled-ddargludyddion ar hyn o bryd yw lle mae silicon yn peidio â bod yr ateb amlwg, a beth sy'n llenwi'r gofod y mae'n ei adael ar ôl.