Что такое полупроводник? Инженер-электрик объясняет, как изготавливаются эти важные электронные компоненты.
Полупроводники являются важной частью почти каждого современного электронного устройства, и подавляющее большинство полупроводников производится в Тавейне. Растущие опасения по поводу зависимости Тайваня в производстве полупроводников, особенно с учетом натянутых отношений между Тайванем и Китаем, привели к тому, что Конгресс США в конце июля 2022 года принял закон о чипах и науке. Этот закон предусматривает субсидии на сумму более 50 миллиардов долларов США для развития полупроводников США. производства и широко освещается в новостях. Тревор Торнтон , инженер-электрик, изучающий полупроводники, объясняет, что это за устройства и как они изготавливаются.
1. Что такое полупроводник?
Вообще говоря, термин полупроводник относится к материалу, такому как кремний, который может проводить электричество намного лучше, чем изолятор, такой как стекло, но не так хорошо, как металлы, такие как медь или алюминий. Но когда люди сегодня говорят о полупроводниках , они обычно имеют в виду полупроводниковые микросхемы .
Эти чипы обычно изготавливаются из тонких пластинок кремния со сложными компонентами, расположенными на них в определенном порядке. Эти шаблоны управляют потоком тока с помощью электрических переключателей, называемых транзисторами, во многом так же, как вы управляете электрическим током в своем доме, щелкая переключателем, чтобы включить свет.
Разница между вашим домом и полупроводниковой микросхемой заключается в том, что полупроводниковые переключатели полностью электрические — нет никаких механических компонентов, которые нужно переключать, — а микросхемы содержат десятки миллиардов переключателей на площади, не превышающей размер ногтя.
2. Что делают полупроводники?
Полупроводники — это то, как электронные устройства обрабатывают, хранят и получают информацию. Например, чипы памяти хранят данные и программное обеспечение в виде двоичного кода, цифровые чипы управляют данными на основе программных инструкций, а беспроводные чипы получают данные от высокочастотных радиопередатчиков и преобразуют их в электрические сигналы. Эти разные чипы работают вместе под управлением программного обеспечения. Различные программные приложения выполняют очень разные задачи, но все они работают, переключая транзисторы, управляющие током.
3. Как построить полупроводниковый чип?
Отправной точкой для подавляющего большинства полупроводников является тонкий слой кремния, называемый пластиной. Сегодняшние вафли размером с обеденную тарелку вырезаны из монокристаллов кремния . Производители добавляют такие элементы, как фосфор и бор , тонким слоем на поверхности кремния, чтобы увеличить проводимость чипа. Именно в этом поверхностном слое сделаны транзисторные переключатели.
Транзисторы изготавливаются путем добавления тонких слоев проводящих металлов, изоляторов и большего количества кремния на всю пластину, набросков рисунков на этих слоях с использованием сложного процесса, называемого литографией , а затем выборочного удаления этих слоев с помощью управляемой компьютером плазмы высокореактивных газов, чтобы оставить определенные узоры и конструкции. Поскольку транзисторы такие маленькие, гораздо проще добавлять материалы слоями, а затем аккуратно удалять ненужные материалы, чем размещать микроскопически тонкие линии металла или изоляторов непосредственно на чипе. Нанося, формируя и травя слои различных материалов десятки раз, производители полупроводников могут создавать микросхемы с десятками миллиардов транзисторов на квадратный дюйм.
4. Чем сегодняшние чипы отличаются от ранних чипов?
Отличий много, но самое главное, пожалуй, это увеличение количества транзисторов на чип.
Одним из первых коммерческих применений полупроводниковых микросхем были карманные калькуляторы , которые стали широко доступны в 1970-х годах. Эти ранние чипы содержали несколько тысяч транзисторов. В 1989 году Intel представила первые полупроводники, число транзисторов которых превысило миллион на одном кристалле. Сегодня самые большие микросхемы содержат более 50 миллиардов транзисторов. Эта тенденция описывается так называемым законом Мура, согласно которому количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые 18 месяцев.
Закон Мура действует уже пять десятилетий. Но в последние годы полупроводниковой промышленности пришлось решать серьезные проблемы — в основном, как продолжать уменьшать размер транзисторов — чтобы продолжать этот темп развития.
Одно из решений состояло в том, чтобы перейти от плоских двумерных слоев к трехмерным слоям с ребристыми ребрами кремния , выступающими над поверхностью. Эти 3D-чипы значительно увеличили количество транзисторов на чипе и теперь широко используются , но их также намного сложнее производить.
5. Нужны ли более сложные микросхемы более сложным фабрикам?
Проще говоря, да, чем сложнее чип, тем сложнее и дороже завод.
