Mengapa silikon digunakan untuk membuat microchip?

Dalam pencarian saya untuk lebih memahami bagaimana komputer bekerja pada level yang dalam, saya sampai pada pertanyaan mengapa, tepatnya, silikon digunakan dalam microchip. Saya selalu berasumsi, secara naif, bahwa silikon memiliki hambatan listrik yang sangat tinggi dan karenanya membuat bahan yang baik untuk mengapit bahan-bahan lain dengan hambatan listrik yang rendah (yaitu emas). Dan inilah cara pembuatan microchip.

Setelah benar-benar melakukan penelitian, saya melihat bahwa saya salah dan silikon itu 'semikonduktor'. Untuk membuat singkat ini, saya hanya akan melompat maju dan hanya mengatakan bahwa saya tidak mengerti apa itu semikonduktor dan mengapa itu baik untuk membuat microchip. Saya telah melihat beberapa penjelasan dan mereka membuat saya bingung, atau penjelasannya saling bertentangan satu sama lain, tetapi intinya adalah semikonduktor berada di antara konduktor dan isolator. Mengapa itu berguna untuk membuat sirkuit terpadu?

integrated-circuit chip-design

— Cole Rowland
sumber

Semikonduktor adalah bahan yang perilaku kelistrikannya dapat dimodifikasi oleh pengotor yang ditambahkan padanya (doping), dan dapat digunakan untuk membuat elemen rangkaian dengan berbagai resistensi, perilaku ambang batas tegangan, dan sebagainya, tergantung pada faktor-faktor yang mempengaruhi seperti listrik dan magnetik yang diterapkan. bidang. Silikon murah, ada di mana-mana (pasir biasa) dan nyaman, tetapi Germanium dan bahan semikonduktor lainnya juga digunakan jika diperlukan.

— Anindo Ghosh

Jadi, pada dasarnya, pabrikan menggunakan pengotor ini untuk membuat jalur di mana arus listrik dapat mengalir? Apakah itu benar?

— Cole Rowland

Bukan jalur: Itu akan lebih seperti PCB, dengan tembaga sebagai jalur. Perilaku material aktual dimodifikasi, misalnya meningkatkan arus melalui sambungan basis-emitor dan arus melalui sambungan kolektor-emitor meningkat, dalam transistor sambungan bipolar, misalnya, jika silikon di kedua sisi persimpangan sesuai "didoping".

— Anindo Ghosh

Maaf, 'jalur' mungkin kata yang salah. Maksud saya dengan menambahkan kotoran yang berbeda Anda dapat menyesuaikan sifat kimia silikon sehingga mengontrol bagaimana arus listrik 'mengalir' melalui chip. Apakah itu benar?

— Cole Rowland

Mengapa membatalkan pertanyaan ini? Saya telah memilih untuk mengembalikannya ke 0. Jika Anda akan downvote, harap berikan umpan balik sehingga pertanyaan dapat ditingkatkan.

— bhillam

Jawaban:

Sejumlah bahan semikonduktor dapat dan digunakan, memang transistor pertama sebenarnya adalah transistor Germanium (Ge). alasan sebenarnya mengapa Si begitu dominan turun ke 4 alasan utama (tapi # 1 adalah alasan utama):

1) Ini membentuk oksida yang berkualitas sangat tinggi, menyegel permukaan dengan sangat sedikit lubang pin atau celah. - ini memungkinkan celah MOSFET lebih mudah dibuat karena SiO ₂ membentuk lapisan isolasi untuk Gerbang, - SiO ₂ telah disebut teman perancang chip.

2) Ini membentuk Nitrida yang sangat tangguh, Si ₃ N ₄ Silikon Nitrida membentuk isolator celah pita yang sangat tinggi yang tidak dapat ditembus. - ini digunakan untuk pasif (segel) mati. - ini juga digunakan untuk membuat topeng keras dan langkah-langkah proses lainnya

3) Si memiliki celah pita yang sangat bagus ~ 1,12 eV, tidak terlalu tinggi sehingga suhu kamar tidak dapat terionisasi, dan tidak terlalu rendah sehingga harus memiliki arus bocor tinggi.

4) itu membentuk bahan gerbang yang sangat bagus. Sebagian besar FET modern yang digunakan dalam VLSI (hingga generasi terbaru) telah disebut MOSFET tetapi pada kenyataannya telah menggunakan Si sebagai bahan gerbang. Ternyata sangat mudah untuk mengendapkan Si non-kristal pada permukaan dan mudah terukir dengan presisi tinggi.

Pada dasarnya keberhasilan Si adalah keberhasilan MOSFET, yang dengan penskalaan dan integrasi ekstrem telah mendorong industri. Mosfet tidak begitu mudah diproduksi di sistem material lain, dan Anda tidak bisa menggerakkan tingkat integrasi yang sama di semikonduktor lainnya.

GeO ₂ - sebagian larut

GaAs - tidak membentuk oksida

CO ₂ - adalah gas

Semikonduktor digunakan karena dengan kontaminasi selektif (disebut dopan) Anda dapat mengontrol sifat material dan menyesuaikan mekanisme pengoperasian dan operasionalnya.

— placeholder
sumber

en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_device_fabrication

— sheetansh

Ini jawaban yang bagus.

— Rocketmagnet

+1 tetapi saya juga akan berpikir ketersediaan tinggi dan biaya bahan yang rendah adalah alasan bagus lainnya.

— kenny

Silikon sudah menjadi bahan semikonduktor yang dominan sebelum FET biasa digunakan.

— Olin Lathrop

Satu lagi manfaat silikon dibandingkan dengan alternatif (seperti GaAs, yang merupakan "semikonduktor masa depan" selama bertahun-tahun) adalah ketahanan fisik. Dari apa yang telah saya sampaikan, jika Anda membuat wafer GaAs 200 mm, kemungkinan besar akan hancur jika Anda melihatnya lucu, Ini adalah salah satu alasan mengapa Gaas terjebak dengan yang jauh lebih kecil (3 "dan 4"? ) wafer, membuat GaA yang jauh lebih tidak ekonomis dibandingkan dengan Si.

— The Photon

Untuk membuat sketsa mengapa semikonduktor baik untuk membuat sirkuit, mulailah dengan pemahaman Anda bahwa itu ada di antara konduktor dan isolator, dan tambahkan fakta bahwa pengotor (dopan) dan pemrosesan lainnya (lapisan oksida) dapat memodifikasi perilakunya untuk membuat bagian dari ia berperilaku lebih baik, dan bagian lain berperilaku lebih buruk. Tambahkan fakta bahwa muatan listrik menarik atau mengusir satu sama lain (berlawanan menarik, seperti biaya mengusir).

Sekarang bayangkan sebuah saluran di mana elektron dapat mengalir, terisolasi dari lapisan konduktor di dekatnya, yang Anda kendalikan tegangannya. Buat layer itu negatif, dan medan listriknya mengusir elektron dalam saluran - bahkan melalui isolator - menghentikannya memasuki saluran. Buat positif dan menarik elektron ke saluran dari terminal -ve, di mana mereka dapat mengalir melaluinya ke terminal + ve. Jadi Anda bisa mengontrol aliran arus dengan tegangan pada lapisan yang terisolasi.

Ini adalah Transistor Efek Bidang atau FET. - lapisan terisolasi disebut gerbang; terminal -ve disebut sumber, dan terminal + ve adalah saluran.

Ketika elektron mengalir dalam saluran, itu disebut N-channel FET (N untuk Negatif)

Ada perangkat lain yang dapat Anda bangun di atas semikonduktor, dengan pemahaman yang lebih mendalam, tetapi mudah-mudahan ini cukup untuk menunjukkan prinsip dasar.

Seperti mengapa silikon? Dari mungkin selusin bahan semikonduktor yang mungkin, sangat nyaman dan dapat diandalkan, serta hampir semurah pasir (yang sebagian besar silikon dioksida)

— Brian Drummond
sumber