¿Por qué se utiliza el silicio para fabricar microchips?

Question

En mi búsqueda por comprender mejor el funcionamiento de los ordenadores a un nivel profundo, he llegado a la pregunta de por qué, exactamente, se utiliza el silicio en los microchips. Siempre supuse, ingenuamente, que el silicio tenía una resistencia eléctrica muy alta y que, por tanto, era un buen material para intercalar otros materiales con baja resistencia eléctrica (por ejemplo, el oro). Y que así se fabricaban los microchips.

Después de investigar un poco, veo que estaba equivocado y que el silicio es un "semiconductor". Para ser breve, me limitaré a decir que no entiendo qué es un semiconductor y por qué sirve para fabricar microchips. He visto varias explicaciones y o bien me han confundido, o bien las explicaciones se contradicen por completo, pero la idea básica es que un semiconductor está a medio camino entre un conductor y un aislante. ¿Por qué es útil para hacer circuitos integrados?

Answer 1

Se puede utilizar, y se utiliza, cualquier material semiconductor; de hecho, el primer transistor fue un transistor de germanio (Ge). dominante se reduce a 4 razones principales (pero la #1 es la principal):

1) Forma un óxido que es de muy alta calidad, sella la superficie con muy pocos agujeros de clavijas o huecos. - Esto permite que el MOSFET de hueco sea más fácil de fabricar ya que el SiO ₂ forma la capa aislante de la Puerta, - SiO ₂ ha sido llamado el amigo de los diseñadores de chips.

2) Forma un nitruro muy resistente, el Si ₃ N ₄ El nitruro de silicio forma un aislante de muy alto bandgap que es impermeable. - se utiliza para pasivar (sellar) la matriz. - También se utiliza para hacer máscaras duras y en otros pasos del proceso.

3) El Si tiene un bandgap muy bueno de ~ 1,12 eV, no demasiado alto para que la temperatura ambiente no pueda ionizarlo, y no tan bajo para que tenga una corriente de fuga demasiado alta.

4) forma un material de puerta muy bonito. La mayoría de los FET modernos utilizados en VLSI (hasta las últimas generaciones) se han denominado MOSFET, pero en realidad han utilizado Si como material de puerta. Resulta que es muy fácil depositar Si no cristalino en las superficies y se graba fácilmente con gran precisión.

Básicamente, el éxito del Si es el éxito del MOSFET, que con el escalado y la integración extrema ha impulsado la industria. Los MOSFET no se fabrican tan fácilmente en otros sistemas de materiales, y no se puede impulsar el mismo nivel de integración en otros semicondutores.

GeO ₂ - es parcialmente soluble

GaAs - no forma un óxido

CO ₂ - es un gas

Los semiconductores se utilizan porque con la contaminación selectiva (llamada dopante) se pueden controlar las propiedades del material y adaptar su funcionamiento y mecanismos operativos.

Answer 2

Para explicar por qué un semiconductor es bueno para crear circuitos, hay que empezar por entender que está entre un conductor y un aislante, y añadir el hecho de que las impurezas (dopantes) y otros procesos (capas de óxido) pueden modificar su comportamiento para que algunas partes conduzcan mejor y otras peor. Añada el hecho de que las cargas eléctricas se atraen o se repelen (los opuestos se atraen, las cargas similares se repelen).

Ahora imagina un canal por el que pueden fluir los electrones, aislado de una capa conductora cercana, sobre la que controlas el voltaje. Haz que esa capa sea negativa, y su campo eléctrico repele a los electrones del canal -incluso a través del aislante- impidiéndoles entrar en él. Si se hace positiva, atrae a los electrones hacia el canal desde el terminal -ve, donde pueden fluir a través de él hasta el terminal +ve. Así que puedes controlar el flujo de corriente con el voltaje de la capa aislante.

Se trata de un transistor de efecto de campo o FET. - La capa aislada se llama puerta; el terminal -ve se llama fuente y el terminal +ve es el drenaje.

Como los electrones fluyen por el canal, se denomina FET de canal N (N de negativo)

Hay otros dispositivos que se pueden construir sobre un semiconductor, con más profundidad de comprensión, pero esperamos que esto sea suficiente para mostrar el principio básico.

¿Por qué el silicio? De entre una docena de posibles materiales semiconductores, es especialmente cómodo y fiable, además de ser casi tan barato como la arena (que es principalmente dióxido de silicio)