Tại sao silicon được sử dụng để chế tạo vi mạch?

Trong nhiệm vụ của tôi để hiểu rõ hơn về cách thức máy tính hoạt động ở mức độ sâu, tôi đã đặt ra câu hỏi tại sao, chính xác, silicon được sử dụng trong vi mạch. Tôi luôn cho rằng, ngây thơ rằng silicon có điện trở rất cao và do đó nó tạo ra một vật liệu tốt để kẹp các vật liệu khác có điện trở thấp (ví dụ như vàng). Và đây là cách mà vi mạch được tạo ra.

Sau khi thực hiện một số nghiên cứu, tôi thấy rằng tôi đã sai và silicon là một 'chất bán dẫn'. Để nói ngắn gọn, tôi sẽ bỏ qua và chỉ nói rằng tôi không hiểu chất bán dẫn là gì và tại sao nó lại tốt để chế tạo vi mạch. Tôi đã thấy một vài lời giải thích và chúng làm tôi bối rối, hoặc những lời giải thích hoàn toàn trái ngược nhau, nhưng ý chính cơ bản là một chất bán dẫn nằm ở đâu đó giữa một dây dẫn và một chất cách điện. Tại sao nó hữu ích để làm cho các mạch tích hợp?

Bất kỳ một số vật liệu bán dẫn nào cũng có thể được sử dụng, thực sự thì bóng bán dẫn đầu tiên thực sự là một bóng bán dẫn Germanium (Ge). lý do thực sự khiến Si chiếm ưu thế đến 4 lý do chính (nhưng # 1 là lý do chính):

1) Nó tạo thành một oxit có chất lượng rất cao, bịt kín bề mặt với rất ít lỗ pin hoặc khe hở. - điều này cho phép tạo khoảng cách MOSFET dễ dàng hơn khi SiO ₂ tạo thành lớp cách điện cho Cổng, - SiO ₂ đã được gọi là người bạn thiết kế chip.

2) Nó tạo thành một Nitride rất cứng, Si ₃ N ₄ Silicon Nitride tạo thành một chất cách điện bandgap rất cao không thấm nước. - điều này được sử dụng để thụ động (đóng dấu) chết. - cái này cũng được sử dụng để làm mặt nạ cứng và trong các bước quy trình khác

3) Si có dải băng rất đẹp ~ 1,12 eV, không quá cao để nhiệt độ phòng không thể ion hóa nó, và không thấp đến mức nó phải có dòng rò cao.

4) nó tạo thành một vật liệu cổng rất đẹp. Hầu hết các FET hiện đại được sử dụng trong VLSI (cho đến các thế hệ mới nhất) đã được gọi là MOSFET nhưng thực tế đã sử dụng Si làm vật liệu cổng. Nó chỉ ra rằng rất dễ dàng để lắng đọng Si không kết tinh trên các bề mặt và nó dễ dàng được khắc với độ chính xác cao.

Về cơ bản sự thành công của Si là sự thành công của MOSFET, với sự mở rộng và tích hợp cực đoan đã thúc đẩy ngành công nghiệp. Mosfet không dễ dàng được sản xuất trong các hệ thống vật liệu khác và bạn không thể lái cùng một mức độ tích hợp trong các chất bán dẫn khác.

GeO ₂ - hòa tan một phần

GaAs - không tạo thành oxit

CO ₂ - là chất khí

Chất bán dẫn được sử dụng vì với sự nhiễm bẩn có chọn lọc (được gọi là dopants), bạn có thể kiểm soát các thuộc tính của vật liệu và điều chỉnh cơ chế hoạt động và vận hành của nó.

Để phác họa lý do tại sao một chất bán dẫn tốt cho việc tạo ra các mạch điện, hãy bắt đầu với sự hiểu biết của bạn rằng nó nằm giữa một chất dẫn điện và chất cách điện, và thêm một thực tế là các tạp chất (chất dẫn xuất) và quá trình xử lý khác (lớp oxit) có thể thay đổi hành vi của nó để tạo ra các bộ phận của nó tiến hành tốt hơn, và các phần khác tiến hành tồi tệ hơn. Thêm vào trong thực tế là các điện tích thu hút hoặc đẩy nhau (các mặt đối lập thu hút, giống như các điện tích đẩy lùi).

Bây giờ hãy tưởng tượng một kênh nơi các electron có thể chảy, được cách điện từ một lớp dẫn gần đó, nơi bạn điều khiển điện áp trên. Làm cho lớp đó âm tính và điện trường của nó đẩy lùi các electron trong kênh - thậm chí thông qua chất cách điện - ngăn chúng đi vào kênh. Làm cho nó tích cực và nó thu hút các electron vào kênh từ thiết bị đầu cuối -ve, nơi chúng có thể chảy qua nó đến thiết bị đầu cuối + ve. Vì vậy, bạn có thể kiểm soát dòng điện với điện áp trên lớp cách điện.

Đây là một Transitor hiệu ứng trường hoặc FET. - lớp cách điện được gọi là cổng; thiết bị đầu cuối -ve được gọi là nguồn và thiết bị đầu cuối + ve là cống.

Khi các electron chảy trong kênh, nó được gọi là FET kênh N (N cho phủ định)

Có những thiết bị khác bạn có thể xây dựng trên một chất bán dẫn, với sự hiểu biết sâu sắc hơn, nhưng hy vọng điều này là đủ để thể hiện nguyên tắc cơ bản.

Tại sao silicon? Có lẽ trong số hàng tá vật liệu bán dẫn có thể, nó đặc biệt tiện lợi và đáng tin cậy, cũng như rẻ như cát (chủ yếu là silicon dioxide)