En Yaygın Yarı İletken Nedir? Silikonun Modern Elektronik Üzerindeki Sıkıntının Arkasındaki Hikaye

Herhangi bir elektronik laboratuvarına gidin ve mühendislerin hangi malzemenin istihdam edilmesini sağladığını sorun; her seferinde aynı kelimeyi duyacaksınız. Silikon. Bu o kadar uzun zamandır bir cevaptı ki, artık bu soru neredeyse hiç sorulmuyor. Kaliforniya'nın bütün bir bölgesi onun adını taşıyor. Dünyanın en büyük şirketleri kelimenin tam anlamıyla ve finansal olarak bunun üzerine kuruludur. Ancak silikon bu konuma ulaşamadı çünkü birisi onun hayal edilebilecek en iyi yarı iletken olduğuna karar vermişti. Bu noktaya iyi kimya, şanslı zamanlama ve bir kez başladıktan sonra geri döndürülmesi neredeyse imkansız olan türden bir endüstriyel ivmenin birleşimi sayesinde ulaştı.

 

 

Yarı iletken

 

Silikonla Başlamadı

İlk transistör silikondan yapılmamıştı. Bardeen ve Brattain, Aralık 1947'de cihazlarını Bell Laboratuarlarında sergilediklerinde, altın temas noktalarının altındaki malzeme germanyumdu. Bunun iyi nedenleri vardı. Almanya'nın erken yarı iletken çalışmalarının gerektirdiği seviyelere kadar saflaştırılması daha kolaydı ve araştırmacıların kullandığı voltajlarda elektronlar silikondan daha serbestçe hareket ediyordu. 1950'de elektronik endüstrisine hangi malzemenin hakim olacağına dair iddiaya giren bir fizikçi olsaydınız, germanyum mantıksız bir seçim olmazdı.

Neyse kaybetti. Ve kaybolma şekli, teknolojinin gerçekte nasıl geliştiğine dair önemli bir şey söylüyor; bu, başlangıçta en umut verici görünen yolda nadiren ilerliyor.

Germanium'un ölümcül kusuru termaldi. Bant aralığı 0,67 elektron voltta bulunuyor; bu, yükselen sıcaklıkların cihazların mühendislerin kolayca kontrol edemeyeceği şekilde akım sızdırmasına neden olacak kadar dar. Bir germanyum transistörünü askeri bir donanımın içine, sıcak bir vakum tüpünün yakınına ya da sadece bir saattir çalışan bir cihazın içine koyarsanız davranışı değişecektir. Bu tür bir öngörülemezlik laboratuvarda tolere edilebilir. Bir üründe tolere edilemez.

 

Üretimi Değiştiren Bir Cam Katmanı

Silikonun bant aralığı 1,1 elektron volttur ve bu da ona anlamlı derecede daha iyi termal stabilite kazandırmıştır. Silikon üzerine inşa edilen cihazlar, germanyumun hatalı çalışmasına neden olan sıcaklıklarda güvenilir bir şekilde çalışabilir. Bu tek başına dengeyi bozmak için yeterli olabilirdi. Ancak silikonun kimsenin tam olarak beklemediği ikinci bir avantajı vardı ve bunun her şeyden daha önemli olduğu ortaya çıktı.

Silikon oksijene maruz kaldığında yüzeyinde ince, sert ve düzgün bir silikon dioksit tabakası oluşur. Silikon dioksit elektriksel olarak yalıtkandır, kimyasal olarak stabildir ve altındaki silikona tüm levha boyunca kontrol edilebilecek ve tekrarlanabilecek bir tutarlılıkla bağlanır. 1950'lerin sonlarında mühendisler düz bir yüzey üzerinde transistörlerin nasıl oluşturulacağını ve bunların metalle nasıl bağlanacağını bulmaya çalışırken, bu doğal oksit tabakası temel bileşen haline geldi. Bileşenler arasında yalıtım bariyeri görevi gördü. Onu termal olarak büyütebilir, asitle pencereler açabilir, üzerine yeni katmanlar yerleştirebilir ve tüm bunları, gözün göremediği özellikleri tanımlamak için yeterli hassasiyetle yapabilirsiniz.

Almanya'da böyle bir oksit yoktur. Germanyum dioksit suda çözünür ve yarı iletken işlemenin gerektirdiği sıcaklıklarda parçalanır. Bu daha iyi mühendislikle çözülebilecek bir sorun değildi. Bu maddi bir özellikti ve germanyumun endüstrinin yakınlaştığı üretim sürecinden etkili bir şekilde diskalifiye edilmesine neden oldu.

Silikon sadece olduğu şey nedeniyle değil, fabrikasyon ortamında yaptıkları nedeniyle de kazandı. Düzlemsel işlem, kararlı, büyütülebilir oksit içeren bir malzemeye ihtiyaç duyuyordu. Silikon'un bir tane vardı. Geri kalan her şey bunu takip etti.

 

Dünyadaki Gofretlerin Yüzde Doksanı Nasıl Görünüyor?

Silikon şu anda küresel olarak üretilen tüm yarı iletken plakaların yüzde doksanından fazlasını oluşturuyor. Dizüstü bilgisayarınızdaki işlemciler, telefonunuzdaki bellek, kameranızdaki görüntü sensörü, buzdolabınızın kompresör denetleyicisindeki güç transistörleri ve giderek artan sayıda çatıya çıkan güneş pilleri için alt tabakadır. Varlığının genişliğini abartmak zordur.

Bunu ayakta tutan şeylerden biri de tamamen endüstriyel ölçektir. Modern bir silikon levha üretim tesisinin inşası on ila yirmi milyar dolar arasında bir maliyete sahiptir ve içindeki her alet, her kimyasal süreç, her kalite kontrol prosedürü, onlarca yıl boyunca özellikle silikon göz önünde bulundurularak geliştirilmiş ve rafine edilmiştir. Fotorezistler silikon için formüle edilmiştir. Aşındırma kimyaları silikon için ayarlanmıştır. Mühendisler silikonu biliyor.

Sektör dışındaki çoğu insanın düşünmediği şey, mükemmel bir çalışma sağlayan destekleyici altyapıdır. Yarı iletken üretimi, dikkatli bir şekilde kontrol edilen dağıtım sistemlerinden geçen ultra saf su, proses gazları ve agresif kimyasal asitlerin kesintisiz akışına bağlıdır. Adımlar arasında levhaları durulayan deiyonize su döngülerinden oksit giderme için hidroflorik asit taşıyan hatlara kadar bir fabrikadaki her sıvı yolu, prosesi kirletmeden aşındırıcı ortamları idare edebilen bileşenler gerektirir. Apaslanmaz çelik küresel vanahatları izole etmek, akışı düzenlemek ve tüm döngüyü kapatmadan bakıma izin vermek için kullanılan bu sistemlerdeki en yaygın kontrol noktalarından biridir. Yarı iletken bir ortamda bu valflere uygulanan temizlik standartları, diğer endüstrilerin çoğuna göre çok daha zorludur, çünkü kötü belirlenmiş bir bağlantıdan kaynaklanan eser miktarda metal kirliliği bile tüm levha partisini mahvedebilir. Bu nedenle fabrika mühendisleri, bir kimyasal dağıtım sistemindeki her paslanmaz çelik küresel vananın seçimine, hatta tek bir vana takılmadan önce proses ekipmanının belirlenmesinde, malzeme sertifikalarının, yüzey kaplama standartlarının ve çıkarılabilir kirletici madde seviyelerinin gözden geçirilmesinde gösterdikleri ciddiyetin aynısıyla yaklaşırlar.

Bu, talaş ve imalat kapsamında nadiren görülen endüstri katmanıdır, ancak litografi makinelerinin kendisi kadar önemlidir. İnsanlar yarı iletken tedarik zincirinin kopyalanmasının veya yerinin değiştirilmesinin zor olduğundan bahsederken kısmen bundan bahsediyorlar: kimyasal dağıtım kabini içindeki bağlantı parçalarına ve akış kontrol donanımına kadar süreçteki her bileşenin birikmiş özgüllüğünden.

 

LEADTEK 2PC Paslanmaz Küresel Vana

 

Silikonun Yoldan Çıktığı Yerler

Silisyumun gerçek sınırları vardır ve bazı uygulamalarda bu sınırlar teorik kaygılar olmaktan çıkıp gerçek mühendislik sorunları olmaya başlamıştır.

Galyum nitrürün bant aralığı 3,4 elektron volttur, bu da silikonun üç katından fazladır. Bu daha geniş aralık, GaN transistörlerinin daha yüksek voltajları bloke etmesine, daha yüksek frekanslarda geçiş yapmasına ve ısıyı benzer boyuttaki bir silikon cihaza göre daha etkili bir şekilde dağıtmasına olanak tanır. Mevcut akıllı telefonlar ve dizüstü bilgisayarlarla birlikte gelen hızlı şarj cihazları, silikon olanlar yerine GaN güç transistörleri kullanıyor; bu nedenle altmış veya yüz watt'lık şarj kapasitesini ceket cebinde unutulacak kadar küçük bir şeye sığdırabiliyorlar. Silikonun aynı işi aynı verimlilikle yapabilmesi için fiziksel olarak daha büyük bir cihaza ihtiyacı olacaktır. GaN amplifikatörleri aynı zamanda silikonun frekans sınırlarının yumuşak bir kılavuz olmaktan ziyade sert bir tavan haline geldiği 5G baz istasyonu altyapısının da merkezinde yer alıyor.

Silisyum karbür, özellikle ısının uzaklaştırılmasının bağlayıcı kısıtlama olduğu yüksek güç seviyelerinde benzer bir rol oynar. Termal iletkenliği silikonun kabaca üç katıdır; bu, yüzlerce kilovatın elektrikli bir aracın invertöründen yönlendirildiği durumlarda önemlidir. Birçok büyük üretici çekiş invertörlerini silikon IGBT'lerden silikon karbür modüllere taşıdı ve verimlilik kazanımları sürüş menzili rakamlarında ortaya çıkacak kadar gerçek oldu.

Bu ikisinin ötesinde, araştırma açısından önemli ilgi uyandıran ancak henüz ana akım üretime geçmemiş materyaller de var. Galyum oksit, beş elektron volta yaklaşan bir bant aralığına ve onu çok yüksek voltaj uygulamalarında yararlı kılacak teorik bozulma özelliklerine sahiptir, ancak hatasız-döşeme levhalarını geniş ölçekte büyütme teknolojisi hâlâ üzerinde çalışılmaktadır. Grafenin elektron hareketliliği teorik olarak volt-saniye başına iki yüz bin santimetrekare civarındadır; bu sayı silikonun bin dört yüzünü gölgede bırakır ve araştırmacılar yirmi yılın büyük bir bölümünde bu sayıya işaret ederken, gerçek bir devrede silikonla rekabet eden pratik grafen transistörler büyük ölçüde erişilemez durumda kalır.

 

Dürüst Pozisyon

Silikon en yaygın yarı iletkendir ve şu anda sektörde çalışan insanların çoğunun göreceğinden daha uzun süre de öyle kalacaktır. GaN ve SiC, silikonun geniş ölçüde yerini almıyor. Silikonun fiziğinin gerçekten yeterli olmadığı pazarın belirli köşelerini kazanıyorlar ve silikon bu köşeleri pek fazla mücadele etmeden bırakıyor çünkü oradaki ekonomi ona karşı yön değiştiriyor.

Aslında değişen şey daha incelikli bir şeydir. Yarı iletken endüstrisinin tarihinin büyük bölümünde silikon yalnızca en yaygın malzeme değildi. Bu, varsayılan materyaldi, herhangi bir tasarım konuşmasının başlangıç ​​noktasıydı, yalnızca alışılmadık derecede güçlü bir nedeniniz olduğunda ayrıldığınız varsayılandı. Bu varsayım kenarlarda gevşemektedir. Çöken değil, devrilmeyen, sadece gevşeyen. En yaygın yarı iletken hala silikondur. Şu anda yarı iletken malzemelerdeki en ilginç soru, silikonun bariz cevap olmaktan çıktığı yer ve arkasında bıraktığı boşluğu neyin doldurduğudur.