เหตุใดซิลิคอนจึงถูกนำมาใช้ทำไมโครชิพ

ในการสืบเสาะของฉันเพื่อทำความเข้าใจว่าคอมพิวเตอร์ทำงานในระดับลึกได้อย่างไรฉันจึงสงสัยว่าทำไมซิลิคอนจึงถูกใช้ในไมโครชิป ฉันสันนิษฐานเสมอว่าไร้เดียงสาซิลิคอนนั้นมีความต้านทานไฟฟ้าสูงมากและมันจึงเป็นวัสดุที่ดีในการทำแซนวิชวัสดุอื่นที่มีความต้านทานไฟฟ้าต่ำ (เช่นทอง) มาและนี่คือวิธีที่ไมโครชิพทำขึ้น

หลังจากทำวิจัยจริงแล้วฉันเห็นว่าฉันคิดผิดและซิลิคอนนั้นเป็น เพื่อให้สั้นนี้ฉันจะข้ามไปข้างหน้าและแค่บอกว่าฉันไม่เข้าใจว่าเซมิคอนดักเตอร์คืออะไรและทำไมมันดีสำหรับการสร้างไมโครชิพ ฉันเคยเห็นคำอธิบายหลายอย่างและพวกเขาอาจทำให้ฉันสับสนหรือคำอธิบายที่ขัดแย้งกันอย่างสมบูรณ์ แต่สาระสำคัญพื้นฐานคือเซมิคอนดักเตอร์อยู่ที่ไหนสักแห่งระหว่างตัวนำและฉนวน ทำไมจึงมีประโยชน์ในการสร้างวงจรรวม

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์จำนวนหนึ่งสามารถนำมาใช้และแน่นอนว่าทรานซิสเตอร์ตัวแรกคือทรานซิสเตอร์เจอร์เมเนียม (Ge) เหตุผลที่แท้จริงว่าทำไม Si ถึงเด่นลงมาถึง 4 เหตุผลหลัก (แต่ # 1 เป็นเหตุผลหลัก):

1) เป็นออกไซด์ที่มีคุณภาพสูงมากผนึกพื้นผิวด้วยรูเข็มหรือช่องว่างน้อยมาก - สิ่งนี้ทำให้ MOSFET ทำให้เกิดช่องว่างได้ง่ายขึ้นเนื่องจาก SiO ₂สร้างเลเยอร์ฉนวนสำหรับประตู - SiO ₂ถูกเรียกว่าเพื่อนนักออกแบบชิป

2) มันเป็น Nitride ที่เหนียวมาก Si ₃ N ₄ Silicon Nitride ก่อให้เกิดฉนวนกันความร้อน bandgap ที่สูงมากซึ่งไม่สามารถผ่านได้ - ใช้เพื่อทำแม่พิมพ์ (ซีล) แม่พิมพ์ - สิ่งนี้ยังใช้เพื่อสร้างมาสก์อย่างหนักและในขั้นตอนกระบวนการอื่น ๆ

3) Si มี bandgap ที่ดีมาก ๆ ~ 1.12 eV ไม่สูงเกินไปดังนั้นอุณหภูมิห้องไม่สามารถแตกตัวเป็นไอออนและไม่ต่ำจนต้องมีกระแสรั่วไหลสูง

4) มันเป็นวัสดุประตูที่ดีมาก FET ที่ทันสมัยที่สุดที่ใช้ใน VLSI (จนถึงรุ่นล่าสุด) ถูกเรียกว่า MOSFET แต่ในความเป็นจริงได้ใช้ Si เป็นวัสดุประตู ปรากฎว่ามันเป็นเรื่องง่ายมากที่จะวาง Si ที่ไม่ใช่ผลึกลงบนพื้นผิวและมันถูกฝังอย่างง่ายดายเพื่อความแม่นยำที่ดีเยี่ยม

โดยพื้นฐานแล้วความสำเร็จของศรีคือความสำเร็จของ MOSFET ซึ่งด้วยการปรับขนาดและการรวมเข้าด้วยกันอย่างมากได้ขับเคลื่อนอุตสาหกรรม Mosfet นั้นไม่ได้ผลิตขึ้นอย่างง่ายดายในระบบวัสดุอื่นและคุณไม่สามารถผลักดันการรวมระดับเดียวกันในเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ

GeO ₂ - ละลายได้บางส่วน

GaAs - ไม่ก่อตัวเป็นออกไซด์

CO ₂ - เป็นก๊าซ

เซมิคอนดักเตอร์ถูกนำมาใช้เพราะด้วยการปนเปื้อนที่เลือก (เรียกว่า dopants) คุณสามารถควบคุมคุณสมบัติของวัสดุและปรับแต่งการดำเนินงานและกลไกการดำเนินงาน

เพื่ออธิบายว่าทำไมเซมิคอนดักเตอร์นั้นดีสำหรับการสร้างวงจรเริ่มต้นด้วยความเข้าใจของคุณว่ามันอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวนและเพิ่มความจริงที่ว่าสิ่งเจือปน (สารเจือปน) และการประมวลผลอื่น ๆ (ชั้นออกไซด์) สามารถปรับเปลี่ยนพฤติกรรมของมันได้ มันทำงานได้ดีขึ้นและส่วนอื่น ๆ แย่ลง เพิ่มในความจริงที่ว่าค่าไฟฟ้าดึงดูดหรือผลักกัน (ตรงกันข้ามดึงดูดเช่นค่าใช้จ่ายขับไล่)

ทีนี้ลองจินตนาการถึงช่องทางที่อิเล็กตรอนสามารถไหลได้หุ้มฉนวนจากชั้นตัวนำที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งคุณสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้ ทำให้ชั้นนั้นเป็นลบและสนามไฟฟ้าจะผลักอิเล็กตรอนในช่องทาง - แม้จะผ่านฉนวน - หยุดพวกมันเข้าไปในช่อง ทำให้มันเป็นบวกและดึงดูดอิเล็กตรอนเข้าสู่ช่องทางจากเทอร์มินัล -ve ซึ่งพวกมันสามารถไหลผ่านมันไปยังขั้ว + ได้ ดังนั้นคุณสามารถควบคุมการไหลของกระแสด้วยแรงดันไฟฟ้าบนชั้นฉนวน

นี่คือ Field Effect Transistor หรือ FET - ชั้นฉนวนเรียกว่าเกท เทอร์มินัล -ve เรียกว่าแหล่งที่มาและเทอร์มินัล + ve คือท่อระบายน้ำ

เมื่ออิเล็กตรอนไหลผ่านช่องทางนี้จะเรียกว่า N-channel FET (N สำหรับลบ)

มีอุปกรณ์อื่น ๆ ที่คุณสามารถสร้างบนเซมิคอนดักเตอร์ด้วยความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น แต่หวังว่านี่จะเพียงพอที่จะแสดงหลักการพื้นฐาน

ทำไมซิลิคอน? อาจเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีความเป็นไปได้หลายสิบอย่างโดยเฉพาะอย่างยิ่งสะดวกและเชื่อถือได้รวมถึงราคาถูกกว่าทราย (ซึ่งส่วนใหญ่เป็นซิลิคอนไดออกไซด์)