מהו המוליך למחצה הנפוץ ביותר? הסיפור מאחורי אחיזת החנק של סיליקון על אלקטרוניקה מודרנית

היכנסו לכל מעבדת אלקטרוניקה ושאלו איזה חומר מעסיק את המהנדסים, ותשמעו את אותה מילה בכל פעם. סִילִיקוֹן. זו הייתה התשובה כל כך הרבה זמן שהשאלה בקושי נשאלת יותר. אזור שלם בקליפורניה נושא את שמו. החברות הגדולות בעולם בנויות עליו, מילולית ופיננסית. אבל הסיליקון לא הגיע לעמדה הזו כי מישהו החליט שזה המוליך למחצה הטוב ביותר שניתן להעלות על הדעת. זה הגיע לשם דרך שילוב של כימיה טובה, תזמון בר מזל וסוג של מומנטום תעשייתי שכמעט בלתי אפשרי להפוך אותו ברגע שהוא מתחיל.

 

 

מוֹלִיך לְמֶחֱצָה

 

זה לא התחיל עם סיליקון

הטרנזיסטור הראשון לא היה עשוי מסיליקון. כאשר ברדין וברטיין הדגימו את המכשיר שלהם במעבדות בל בדצמבר 1947, החומר שמתחת למגעי הזהב שלהם היה גרמניום. היו לכך סיבות טובות. גרמניום היה קל יותר לטיהור לרמות שעבודת מוליכים למחצה מוקדמת דרשה, ואלקטרונים עברו דרכו בחופשיות רבה יותר מאשר דרך סיליקון במתחים שבהם השתמשו החוקרים. אם היית פיזיקאי בשנת 1950, מהמר על איזה חומר יבוא לשלוט בתעשיית האלקטרוניקה, גרמניום לא היה בחירה בלתי סבירה.

זה הפסיד בכל מקרה. והאופן שבו הוא הפסיד אומר משהו חשוב על האופן שבו הטכנולוגיה מתפתחת בפועל, שלעיתים רחוקות נמצאת בדרך שנראית הכי מבטיחה בהתחלה.

הפגם הקטלני של גרמניום היה תרמי. מרווח הרצועה שלו עומד על 0.67 וולט אלקטרוני, צר מספיק כדי שהטמפרטורות העליות גרמו למכשירים לדלוף זרם בדרכים שהמהנדסים לא יכלו לשלוט בהם בקלות. שים טרנזיסטור גרמניום בתוך חלק של חומרה צבאית, או ליד צינור ואקום חם, או פשוט במכשיר שפעל במשך שעה, וההתנהגות שלו תשתנה. חוסר חיזוי כזה נסבל במעבדה. זה לא נסבל במוצר.

 

שכבת זכוכית ששינתה את הייצור

לסיליקון יש פער של 1.1 אלקטרונים וולט, מה שהקנה לו יציבות תרמית טובה יותר באופן משמעותי. מכשירים הבנויים על סיליקון יכולים לפעול בצורה מהימנה בטמפרטורות שגרמו לגרמניום להתנהג בצורה לא נכונה. זה לבד אולי היה מספיק כדי להטות את האיזון. אבל לסיליקון היה יתרון שני שאיש לא ציפה לו לגמרי, והתברר שהוא חשוב יותר מכל דבר אחר.

כאשר סיליקון נחשף לחמצן הוא מצמיח שכבה דקה, קשה ואחידה של סיליקון דו חמצני על פניו. סיליקון דו חמצני מבודד חשמלית, יציב מבחינה כימית, ונקשר לסיליקון שמתחתיו בעקביות שניתן לשלוט ולחזור על פני רקיק שלם. כאשר מהנדסים בסוף שנות ה-50 חשבו כיצד לבנות טרנזיסטורים על משטח שטוח ולחוות אותם יחד עם מתכת שהופקדה, שכבת התחמוצת המקומית הפכה למרכיב החיוני. הוא שימש כמחסום מבודד בין רכיבים. אתה יכול לגדל אותו בצורה תרמית, לחרוט דרכו חלונות בחומצה, להפקיד שכבות חדשות מעליו ולעשות את כל זה בדיוק מספיק כדי להגדיר תכונות שהעין לא יכולה לראות.

לגרמניום אין תחמוצת כזו. גרמניום דו חמצני מתמוסס במים ומתפרק בטמפרטורות שעיבוד מוליכים למחצה דורש. זו לא הייתה בעיה פתירה עם הנדסה טובה יותר. זה היה נכס מהותי, והוא למעשה פסל את הגרמניום מתהליך הייצור אליו התכנסה התעשייה.

הסיליקון ניצח לא רק בגלל מה שהוא היה, אלא בגלל מה שהוא עשה בתוך סביבת ייצור. התהליך המישורי הצריך חומר בעל תחמוצת יציבה וניתנת לגידול. לסיליקון היה אחד. כל השאר נבע מכך.

 

איך נראים תשעים אחוז מהוופלים בעולם

סיליקון מהווה כעת יותר מתשעים אחוז מכלל פרוסות המוליכים למחצה המיוצרות בעולם. זהו המצע למעבדים במחשב הנייד שלך, הזיכרון בטלפון שלך, חיישן התמונה במצלמה שלך, טרנזיסטורי הכוח בבקר המדחס של המקרר שלך, והתאים הסולאריים העוברים על מספר הולך וגדל של גגות. קשה להפריז ברוחב הנוכחות שלו.

חלק ממה שמקיים את זה הוא קנה מידה תעשייתי. מפעל מודרני לייצור פרוסות סיליקון עולה איפשהו בין עשרה לעשרים מיליארד דולר לבנות, וכל כלי בתוכו, כל תהליך כימי, כל הליך בקרת איכות, פותח ושוכלל במשך עשרות שנים תוך התחשבות ספציפית בסיליקון. הפוטורסיסטים מיועדים לסיליקון. כימי הצריבה מכוונים לסיליקון. המהנדסים יודעים סיליקון.

מה שרוב האנשים מחוץ לתעשייה לא חושבים עליו הוא התשתית התומכת שעושה ריצה נהדרת. ייצור מוליכים למחצה תלוי בזרימה בלתי פוסקת של מים טהורים במיוחד, גזי תהליך וחומרי תחריט כימיים אגרסיביים העוברים דרך מערכות אספקה ​​מבוקרות בקפידה. כל נתיב נוזלים בטבע, החל מלולאות המים המותרות ששוטפות פרוסות בין השלבים ועד לקווים הנושאים חומצה הידרופלואורית להסרת תחמוצת, דורשים רכיבים שיכולים להתמודד עם מדיה קורוזיבית מבלי לזהם את התהליך. אשסתום כדורי נירוסטההיא אחת מנקודות הבקרה הנפוצות ביותר במערכות אלו, המשמשת לבידוד קווים, לווסת זרימה ולאפשר תחזוקה מבלי לסגור לולאה שלמה. תקני הניקיון המיושמים על שסתומים אלו בסביבת מוליכים למחצה תובעניים במידה ניכרת מאשר ברוב התעשיות האחרות, מכיוון שאפילו זיהום עקבות מתכת מפרזול שצוין בצורה גרועה יכול להרוס אצווה שלמה של רקיק. מסיבה זו, מהנדסים מעולים מתייחסים לבחירה של כל שסתום כדורי נירוסטה במערכת אספקה ​​כימית באותה רצינות שהם מביאים לציון ציוד תהליך, סקירת אישורי חומר, תקני גימור פני השטח ורמות זיהומים שניתנים לחילוץ לפני שסתום בודד מותקן על הקו.

זוהי השכבה של התעשייה שממעטת להופיע בכיסוי שבבים וייצור, אך היא חיונית כמו מכונות הליטוגרפיה עצמן. כשאנשים מדברים על כך ששרשרת האספקה ​​של המוליכים למחצה קשה לשכפול או העברה, הם מדברים בחלקו על זה: הספציפיות המצטברת של כל רכיב בתהליך, עד לאביזרים ולחומרת בקרת הזרימה בתוך ארון אספקה ​​כימיקלים.

 

שסתום כדורי מפלדת אל-חלד של LEADTEK 2 PC

 

המקומות שסיליקון נגמר מהכביש

לסיליקון יש גבולות אמיתיים, ובאפליקציות מסוימות המגבלות האלה הפסיקו להיות דאגות תיאורטיות והחלו להיות בעיות הנדסיות אמיתיות.

לגאליום ניטריד יש פער של 3.4 וולט אלקטרונים, יותר מפי שלושה מהסיליקון. הפער הרחב הזה מאפשר לטרנזיסטורי GaN לחסום מתחים גבוהים יותר, לעבור בתדרים גבוהים יותר ולפזר חום בצורה יעילה יותר מאשר התקן סיליקון בגודל דומה. המטענים המהירים הנשלחים עם סמארטפונים ומחשבים ניידים עכשוויים משתמשים בטרנזיסטורי כוח GaN ולא בסיליקון, וזו הסיבה שהם יכולים להתאים שישים או מאה וואט של יכולת טעינה למשהו קטן מספיק כדי לשכוח בכיס המעיל. סיליקון יצטרך מכשיר גדול יותר מבחינה פיזית כדי לעשות את אותה עבודה באותה יעילות. מגברי GaN הם גם מרכזיים בתשתית תחנת בסיס 5G, שבה מגבלות התדר של הסיליקון הופכות לתקרה קשה ולא לקו מנחה רך.

סיליקון קרביד ממלא תפקיד דומה ברמות הספק גבוהות יותר, במיוחד כאשר הסרת החום היא המגבלה המחייבת. המוליכות התרמית שלו היא בערך פי שלושה מזו של הסיליקון, מה שחשוב כאשר אתה מנתב מאות קילוואט דרך המהפך של רכב חשמלי. כמה יצרנים גדולים העבירו את ממירי המתיחה שלהם מ-IGBT מסיליקון למודולי סיליקון קרביד, והרווחים ביעילות היו אמיתיים מספיק כדי להופיע בנתוני טווח הנסיעה.

מעבר לשני אלו ישנם חומרים שמייצרים עניין מחקרי ניכר אך טרם עברו לייצור מיינסטרים. לגאליום אוקסיד יש פער פס שמתקרב לחמישה וולט אלקטרונים ומאפייני פירוק תיאורטיים שיהפכו אותו לשימושי ביישומי מתח גבוה מאוד, אבל הטכנולוגיה להגדלת פרוסות ללא פגמים-בקנה מידה עדיין בפיתוח. ניידות האלקטרונים של גרפן היא תיאורטית בסביבות מאתיים אלף סנטימטר רבוע בוולט-שניה, מספר שמתגמד לארבע-עשרה מאות של סיליקון, וחוקרים הצביעו על המספר הזה במשך יותר מ-20 שנה בעוד טרנזיסטורי גרפן מעשיים שמתחרים למעשה עם סיליקון במעגל אמיתי נותרים ברובם מחוץ להישג ידם.

 

העמדה הכנה

סיליקון הוא המוליך למחצה הנפוץ ביותר, והוא יישאר כך למשך זמן רב יותר ממה שרוב האנשים העובדים כיום בתעשייה יהיו בסביבה כדי לראות. GaN ו-SiC אינם מחליפים סיליקון באופן נרחב. הם מנצחים את הפינות הספציפיות של השוק שבהן הפיזיקה של הסיליקון באמת הפסיקה להיות מספקת, והסיליקון מוותר על הפינות האלה בלי הרבה מאבק כי הכלכלה שם השתנתה נגדו.

מה שבעצם משתנה הוא משהו עדין יותר. במשך רוב ההיסטוריה של תעשיית המוליכים למחצה, סיליקון לא היה רק ​​החומר הנפוץ ביותר. זה היה החומר המשוער, נקודת המוצא לכל שיחת עיצוב, ברירת המחדל שממנה יצאת רק כשהייתה לך סיבה חזקה במיוחד. ההנחה הזו מתרופפת בקצוות. לא מתמוטט, לא מופל, רק משתחרר. המוליך למחצה הנפוץ ביותר הוא עדיין סיליקון. השאלה המעניינת ביותר בחומרים מוליכים למחצה כרגע היא היכן הסיליקון מפסיק להיות התשובה הברורה, ומה ממלא את החלל שהוא משאיר אחריו.