¿Por qué se usa silicio para hacer microchips?

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En mi búsqueda para comprender mejor cómo funcionan las computadoras a un nivel profundo, llegué a la pregunta de por qué, exactamente, el silicio se usa en microchips. Siempre supuse, ingenuamente, que el silicio tenía una resistencia eléctrica muy alta, por lo que era un buen material para emparejar otros materiales con baja resistencia eléctrica (es decir, oro). Y esa era la forma en que se fabricaban los microchips.

Después de investigar un poco, veo que estaba equivocado y que el silicio es un 'semiconductor'. Para mantenerlo corto, simplemente saltaré hacia adelante y diré que no entiendo qué es un semiconductor y por qué es bueno para hacer microchips. He visto varias explicaciones y me confundieron o las explicaciones se contradecían por completo, pero la esencia básica es que un semiconductor está en algún lugar entre un conductor y un aislante. ¿Por qué es útil para hacer circuitos integrados?

integrated-circuit chip-design Cole Rowland
fuente
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Un semiconductor es un material cuyo comportamiento eléctrico puede modificarse por las impurezas que se le agregan (dopaje) y puede usarse para hacer elementos de circuito con resistencias variables, comportamientos de umbral de voltaje, etc. campos. El silicio es barato, omnipresente (arena común) y conveniente, pero el germanio y otros materiales semiconductores también se usan donde se requiere.
Anindo Ghosh
Entonces, ¿esencialmente, el fabricante usa estas impurezas para crear vías donde la corriente eléctrica puede viajar? ¿Es eso correcto?
Cole Rowland
No vías: eso sería más como una PCB, con cobre como vías. El comportamiento real de los materiales se modifica, por ejemplo, aumenta la corriente a través de una unión base-emisor y la corriente a través de la unión colector-emisor aumenta, en un transistor de unión bipolar, por ejemplo, si el silicio a cada lado de las uniones está adecuadamente "dopado".
Anindo Ghosh
Lo sentimos, "caminos" puede haber sido la palabra equivocada. Quise decir que al agregar diferentes impurezas puede ajustar las propiedades químicas del silicio, controlando así cómo la corriente eléctrica 'fluye' a través del chip. ¿Es eso correcto?
Cole Rowland
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bhillam

Respuestas:

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Cualquiera de varios materiales semiconductores puede ser y es usado, de hecho, el primer transistor fue en realidad un transistor de germanio (Ge). La verdadera razón por la cual el Si es tan dominante se reduce a 4 razones principales (pero la razón principal es # 1):

1) Forma un óxido que es de muy alta calidad, sella la superficie con muy pocos orificios o huecos. - esto permite que el MOSFET de separación se haga más fácilmente ya que el SiO 2 forma la capa aislante para la Puerta, - SiO 2 ha sido llamado amigo de los diseñadores de chips.

2) Forma un nitruro muy resistente, el nitruro de silicio Si 3 N 4 forma un aislante de banda muy alta que es impermeable. - esto se usa para pasivar (sellar) el dado. - esto también se usa para hacer máscaras duras y en otros pasos del proceso

3) Si tiene una banda prohibida muy agradable de ~ 1.12 eV, no demasiado alta para que la temperatura ambiente no pueda ionizarla, y no tan baja que tenga una corriente de fuga alta.

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

Básicamente, el éxito de Si es el éxito de MOSFET, que con escalamiento e integración extrema ha impulsado a la industria. Los Mosfet no se fabrican tan fácilmente en otros sistemas de materiales, y no se puede manejar el mismo nivel de integración en otros semiconductores.

GeO 2 - es parcialmente soluble

GaAs: no forma un óxido

CO 2 - es un gas

Los semiconductores se utilizan porque con la contaminación selectiva (llamados dopantes) puede controlar las propiedades del material y adaptar su funcionamiento y sus mecanismos operativos.

marcador de posición
fuente
en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_device_fabrication
sheetansh
Esta es una respuesta genial.
Rocketmagnet
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+1 pero también creo que la alta disponibilidad y el bajo costo del material es otra buena razón.
kenny
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El silicio ya era el material semiconductor dominante antes de que los FET se usaran comúnmente.
Olin Lathrop
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Una ventaja más del silicio en comparación con las alternativas (como GaAs, que fue el "semiconductor del futuro" durante muchos años) es la robustez física. Por lo que me han dicho, si hicieras una oblea de GaAs de 200 mm, es probable que se rompa si lo miras de manera divertida. Esta es una de las razones por las que las fábricas de GaAs se han quedado con piezas mucho más pequeñas (3 "y 4". ), haciendo que los GaAs sean mucho menos económicos en comparación con el Si.
El fotón
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Para esbozar por qué un semiconductor es bueno para crear circuitos, comience por comprender que está entre un conductor y un aislante, y agregue el hecho de que las impurezas (dopantes) y otros procesamientos (capas de óxido) pueden modificar su comportamiento para formar partes de se comporta mejor, y otras partes conducen peor. Agregue el hecho de que las cargas eléctricas se atraen o repelen entre sí (los opuestos se atraen, como las cargas repelen).

Ahora imagine un canal donde los electrones pueden fluir, aislados de una capa conductora cercana, en la que controla el voltaje. Haga que esa capa sea negativa, y su campo eléctrico repele los electrones en el canal, incluso a través del aislante, evitando que entren en el canal. Hazlo positivo y atrae electrones al canal desde el terminal -ve, donde pueden fluir a través del terminal + ve. Para que pueda controlar el flujo de corriente con el voltaje en la capa aislada.

Este es un transistor de efecto de campo o FET. - la capa aislada se llama puerta; el terminal -ve se llama la fuente, y el terminal + ve es el drenaje.

A medida que los electrones fluyen en el canal, se llama FET de canal N (N para Negativo)

Hay otros dispositivos que puede construir en un semiconductor, con mayor profundidad de comprensión, pero con suerte esto es suficiente para mostrar el principio básico.

¿Por qué silicio? De quizás una docena de posibles materiales semiconductores, es particularmente conveniente y confiable, además de ser casi tan barato como la arena (que es principalmente dióxido de silicio)

Brian Drummond
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