رایج ترین نیمه هادی چیست؟ داستان پشت سر خفه سیلیکون در الکترونیک مدرن

به هر آزمایشگاه الکترونیکی بروید و بپرسید که کدام ماده باعث می شود مهندسان مشغول به کار شوند، و هر بار همان کلمه را خواهید شنید. سیلیکون آنقدر جواب داده است که دیگر به سختی سوال پرسیده می شود. کل منطقه کالیفرنیا نام خود را دارد. بزرگترین شرکت های جهان، به معنای واقعی کلمه و از نظر مالی بر روی آن ساخته شده اند. اما سیلیکون به این موقعیت نرسید، زیرا شخصی به این نتیجه رسید که بهترین نیمه هادی قابل تصور است. از طریق ترکیبی از شیمی خوب، زمان‌بندی خوش شانس، و نوعی حرکت صنعتی که پس از شروع به کار تقریبا غیرممکن است، به آنجا رسید.

 

 

نیمه هادی

 

با سیلیکون شروع نشد

اولین ترانزیستور از سیلیکون ساخته نشده بود. هنگامی که باردین و براتین دستگاه خود را در آزمایشگاه بل در دسامبر 1947 به نمایش گذاشتند، ماده زیر طلای آنها ژرمانیوم بود. دلایل خوبی برای این وجود داشت. ژرمانیوم تا سطوحی که کار نیمه هادی اولیه نیاز داشت، راحت تر تصفیه می شد و الکترون ها آزادانه تر از طریق سیلیکون در ولتاژهایی که محققان استفاده می کردند از طریق آن حرکت می کردند. اگر در سال 1950 یک فیزیکدان بودید و شرط می‌بستید که کدام ماده بر صنعت الکترونیک تسلط پیدا کند، ژرمانیوم انتخاب غیرمنطقی نبود.

به هر حال باخت و روشی که از دست داد چیز مهمی در مورد چگونگی توسعه فناوری می گوید که به ندرت در مسیری قرار می گیرد که در ابتدا امیدوارکننده به نظر می رسد.

عیب کشنده ژرمانیوم حرارتی بود. فاصله باند آن در ولتاژ 0.67 الکترون ولت قرار دارد، به اندازه‌ای باریک که افزایش دما باعث می‌شود دستگاه‌ها جریانی را به گونه‌ای نشت کنند که مهندسان به راحتی نمی‌توانند آن را کنترل کنند. یک ترانزیستور ژرمانیومی را داخل یک قطعه سخت افزار نظامی یا نزدیک یک لوله خلاء گرم یا به سادگی در دستگاهی که یک ساعت کار کرده است قرار دهید تا رفتار آن تغییر کند. این نوع غیرقابل پیش بینی بودن در آزمایشگاه قابل تحمل است. در یک محصول قابل تحمل نیست.

 

لایه ای از شیشه که تولید را تغییر داد

سیلیکون دارای یک باند 1.1 الکترون ولت است که به طور معنی‌داری پایداری حرارتی بهتری به آن می‌دهد. دستگاه‌های ساخته شده بر روی سیلیکون می‌توانند در دمایی که باعث عملکرد نادرست ژرمانیوم می‌شود، به‌طور قابل اعتمادی کار کنند. این به تنهایی ممکن است برای برهم زدن تعادل کافی باشد. اما سیلیکون مزیت دومی داشت که هیچ کس به طور کامل آن را پیش بینی نکرده بود و معلوم شد که بیش از هر چیز دیگری اهمیت دارد.

هنگامی که سیلیکون در معرض اکسیژن قرار می گیرد، یک لایه نازک، سخت و یکنواخت از دی اکسید سیلیکون روی سطح خود رشد می کند. دی اکسید سیلیکون از نظر الکتریکی عایق، از نظر شیمیایی پایدار است و با قوامی به سیلیکون زیر آن متصل می شود که می تواند در کل ویفر کنترل و تکرار شود. هنگامی که مهندسان در اواخر دهه 1950 در حال کار بر روی چگونگی ساخت ترانزیستورها بر روی یک سطح صاف و سیم کشی آنها با فلز رسوب شده بودند، آن لایه اکسید بومی به عنصر اصلی تبدیل شد. به عنوان مانع عایق بین اجزای سازنده عمل می کرد. می‌توانید آن را به صورت حرارتی رشد دهید، پنجره‌ها را با اسید حکاکی کنید، لایه‌های جدیدی را در بالای آن قرار دهید، و همه این کارها را با دقت کافی انجام دهید تا ویژگی‌هایی را که چشم نمی‌بیند، مشخص کنید.

ژرمانیوم چنین اکسیدی ندارد. دی اکسید ژرمانیوم در آب حل می شود و در دمایی که پردازش نیمه هادی نیاز دارد از هم می پاشد. این یک مشکل قابل حل با مهندسی بهتر نبود. این یک ویژگی مادی بود و عملاً ژرمانیوم را از فرآیند تولیدی که صنعت در حال همگرایی بود، محروم کرد.

سیلیکون صرفاً به خاطر چیزی که بود برنده نشد، بلکه به دلیل کاری که در یک محیط ساختگی انجام داد. فرآیند مسطح به ماده ای با اکسید پایدار و قابل رشد نیاز داشت. سیلیکون یکی داشت. همه چیزهای دیگر از آن نتیجه گرفت.

 

نود درصد ویفرهای جهان چگونه به نظر می رسند

سیلیکون در حال حاضر بیش از نود درصد از کل ویفرهای نیمه هادی تولید شده در سطح جهان را تشکیل می دهد. این بستر برای پردازنده‌های لپ‌تاپ، حافظه گوشی، حسگر تصویر در دوربین، ترانزیستورهای قدرت در کنترل‌کننده کمپرسور یخچال و سلول‌های خورشیدی است که به تعداد فزاینده‌ای از پشت بام‌ها می‌روند. وسعت حضور آن به سختی قابل اغراق است.

بخشی از آنچه این امر را حفظ می کند مقیاس صنعتی محض است. یک کارخانه مدرن ساخت ویفر سیلیکونی چیزی بین ده تا بیست میلیارد دلار هزینه دارد و هر ابزار داخل آن، هر فرآیند شیمیایی، هر روش کنترل کیفیت، طی دهه‌ها با در نظر گرفتن سیلیکون به طور خاص توسعه و پالایش شده است. فوتوریست ها برای سیلیکون فرموله شده اند. شیمی اچ برای سیلیکون تنظیم شده است. مهندسان سیلیکون را می شناسند.

چیزی که اکثر افراد خارج از صنعت به آن فکر نمی کنند، زیرساخت های پشتیبانی است که عملکرد عالی را به همراه دارد. ساخت نیمه هادی ها به جریان بی وقفه آب فوق خالص، گازهای فرآیندی و مواد شیمیایی تهاجمی که از طریق سیستم های تحویل به دقت کنترل می شوند، بستگی دارد. هر مسیر سیال در یک فاب، از حلقه‌های آب دیونیزه‌شده که ویفرها را بین پله‌ها شستشو می‌دهند تا خطوط حامل اسید هیدروفلوئوریک برای حذف اکسید، به اجزایی نیاز دارند که بتوانند محیط‌های خورنده را بدون آلوده کردن فرآیند کنترل کنند. الفشیر توپی استیل ضد زنگیکی از رایج ترین نقاط کنترل در این سیستم ها است که برای جداسازی خطوط، تنظیم جریان و امکان تعمیر و نگهداری بدون خاموش کردن یک حلقه کامل استفاده می شود. استانداردهای تمیزی اعمال شده برای این شیرها در یک محیط نیمه هادی به طور قابل توجهی بیشتر از سایر صنایع مورد نیاز است، زیرا حتی آلودگی فلزی ناشی از اتصالات نامناسب می تواند کل دسته ویفر را خراب کند. به همین دلیل، مهندسان فاب با انتخاب هر شیر توپی فولاد ضد زنگ در یک سیستم تحویل مواد شیمیایی با همان جدیتی برخورد می‌کنند که برای مشخص کردن تجهیزات فرآیند، بررسی گواهی‌های مواد، استانداردهای پرداخت سطح، و سطوح آلاینده قابل استخراج قبل از نصب یک دریچه منفرد روی خط دارند.

این لایه ای از صنعت است که به ندرت در پوشش تراشه ها و ساخت ظاهر می شود، اما به اندازه خود ماشین های لیتوگرافی ضروری است. هنگامی که مردم در مورد مشکل بودن زنجیره تامین نیمه هادی صحبت می کنند که تکرار یا جابجایی آن دشوار است، تا حدی در مورد این صحبت می کنند: ویژگی انباشته شده هر جزء در فرآیند، تا اتصالات و سخت افزار کنترل جریان در داخل کابینت تحویل مواد شیمیایی.

 

شیر توپی LEADTEK 2PC فولاد ضد زنگ

 

مکان‌های سیلیکون از جاده خارج می‌شود

سیلیکون دارای محدودیت‌های واقعی است، و در کاربردهای خاص، این محدودیت‌ها دغدغه‌های نظری نبوده و به مشکلات مهندسی واقعی تبدیل شده‌اند.

نیترید گالیم دارای فاصله باند 3.4 الکترون ولت است که بیش از سه برابر سیلیکون است. این شکاف گسترده تر به ترانزیستورهای GaN اجازه می دهد تا ولتاژهای بالاتر را مسدود کنند، در فرکانس های بالاتر سوئیچ کنند و گرما را به طور موثرتری نسبت به یک دستگاه سیلیکونی با اندازه مشابه دفع کنند. شارژرهای سریعی که با تلفن‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌های فعلی عرضه می‌شوند، به جای ترانزیستورهای سیلیکونی، از ترانزیستورهای قدرت GaN استفاده می‌کنند، به همین دلیل است که می‌توانند شصت یا صد وات قابلیت شارژ را در چیزی به اندازه‌ای کوچک که در جیب کت فراموش شود، جا می‌دهند. سیلیکون به یک دستگاه فیزیکی بزرگتر نیاز دارد تا کار مشابهی را با همان کارایی انجام دهد. تقویت‌کننده‌های GaN همچنین در زیرساخت‌های ایستگاه پایه 5G مرکزی هستند، جایی که محدودیت‌های فرکانس سیلیکون به‌جای یک دستورالعمل نرم، به یک سقف سخت تبدیل می‌شوند.

کاربید سیلیکون نقش مشابهی را در سطوح توان بالاتر ایفا می کند، به ویژه جایی که حذف گرما محدودیت اتصال است. رسانایی حرارتی آن تقریباً سه برابر سیلیکون است، که وقتی صدها کیلووات را از طریق اینورتر یک وسیله نقلیه الکتریکی عبور می دهید اهمیت دارد. چندین تولیدکننده بزرگ اینورترهای کششی خود را از IGBT های سیلیکونی به ماژول های کاربید سیلیکون منتقل کرده اند و افزایش کارایی به اندازه کافی واقعی بوده است که در ارقام محدوده رانندگی نشان داده شود.

فراتر از این دو، موادی وجود دارند که علاقه تحقیقاتی قابل توجهی را ایجاد می‌کنند، اما هنوز وارد جریان اصلی تولید نشده‌اند. اکسید گالیوم دارای یک فاصله باند نزدیک به پنج الکترون ولت و ویژگی‌های شکست نظری است که آن را در کاربردهای ولتاژ بسیار بالا مفید می‌سازد، اما فناوری برای رشد ویفرهای بدون نقص-در مقیاس هنوز در حال کار است. تحرک الکترون گرافن از نظر تئوری حدود دویست هزار سانتی‌متر مربع بر ولت-ثانیه است، عددی که از 1400 سیلیکون کوتوله می‌کند، و محققان برای بخش عمده‌ای از بیست سال به این عدد اشاره کرده‌اند، در حالی که ترانزیستورهای گرافن عملی که در واقع با سیلیکون دور از مدار واقعی رقابت می‌کنند، همچنان باقی می‌مانند.

 

موقعیت صادقانه

سیلیکون رایج ترین نیمه هادی است و برای مدت طولانی تری باقی خواهد ماند که اکثر افرادی که در حال حاضر در این صنعت کار می کنند ببینند. GaN و SiC به طور گسترده ای سیلیکون را جایگزین نمی کنند. آنها در حال برنده شدن گوشه‌های خاصی از بازار هستند که در آن فیزیک سیلیکون واقعاً کافی نبوده است، و سیلیکون در حال واگذاری آن گوشه‌ها بدون مبارزه زیاد است، زیرا اقتصاد آنجا بر خلاف آن تغییر کرده است.

آنچه در واقع در حال تغییر است چیزی ظریف تر است. در بیشتر تاریخ صنعت نیمه هادی، سیلیکون فقط رایج ترین ماده نبود. این مطالب فرضی، نقطه شروع هر گفتگوی طراحی بود، پیش فرضی که تنها زمانی از آن خارج شدید که دلیل غیرمعمولی قوی برای آن داشتید. این فرض در لبه ها سست می شود. نه فروریختن، نه سرنگون شدن، فقط سست شدن. رایج ترین نیمه هادی هنوز سیلیکون است. جالب‌ترین سوال در مورد مواد نیمه‌رسانا در حال حاضر این است که سیلیکون از کجا می‌تواند پاسخ بدیهی باشد و چه چیزی فضایی را که پشت سر گذاشته است پر می‌کند.