542 подписчика
Кремний — песок, который изменил мир
В основе любого современного процессора, памяти или микросхемы лежит один главный материал — кремний. Но почему именно он?
Окисление: рождение идеального изолятора
Ключевое преимущество кремния — его способность вступать в реакцию с кислородом с образованием диоксида кремния (SiO₂). Этот процесс описывается простой химической формулой:
Si + O₂ → SiO₂
Получаемое вещество является превосходным изолятором: оно прочное, стабильное и с высочайшей точностью наносится на поверхность кристалла. Именно из диоксида кремния создают затворы транзисторов и изолирующие слои между проводниками в микросхеме. У других полупроводников такого качественного и технологичного «родного» изолятора просто нет.
Основа для транзисторов: от сэндвича к платформе
Как мы разбирали в прошлом посте, биполярный транзистор представляет собой «сэндвич» из трёх областей кремния с разным типом проводимости. Именно кремний позволяет с ювелирной точностью создавать эти тончайшие слои, легируя его разными примесями. Вся эта структура создаётся на прочной и чистой пластине из кремния — подложке. Подложка служит механическим основанием для будущего чипа и, как правило, является пассивной частью устройства, но без неё было бы невозможно построить многослойную структуру современного процессора.
Ширина запрещённой зоны: золотая середина
Запрещённая зона — это порог энергии, который носителю заряда (электрону или дырке) нужно преодолеть, чтобы участвовать в проводимости. У кремния этот порог составляет около 1.1 эВ. Эта величина идеальна: она достаточно велика, чтобы схема стабильно работала при комнатной температуре без риска саморазогрева и паразитной проводимости, но и достаточно мала, чтобы для управления током требовались небольшие и экономичные напряжения.
Распространённость и стоимость
Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре после кислорода. Его основой является обычный песок (SiO₂). Хотя процесс очистки до уровня «электронного качества» (99.9999999%!) невероятно сложен и дорог, исходное сырьё практически бесплатно. Это выгодно отличает его от многих других полупроводниковых материалов.
Именно это сочетание факторов — возможность создания изолятора, идеальные свойства для изготовления транзисторов, оптимальная ширина запрещённой зоны и относительная дешевизна — и позволило кремнию стать тем краеугольным камнем, на котором построена вся наша цифровая вселенная.
#инженерный_подкаст #все_ответы_в_науке_МИФИ
2 минуты
15 сентября