Chất bán dẫn phổ biến nhất là gì? Câu chuyện đằng sau sự kìm hãm của Silicon đối với điện tử hiện đại

Hãy bước vào bất kỳ phòng thí nghiệm điện tử nào và hỏi xem vật liệu nào giúp các kỹ sư được tuyển dụng, và lần nào bạn cũng sẽ nghe thấy cùng một từ. Silicon. Đó là câu trả lời quá lâu đến nỗi câu hỏi này hầu như không còn được hỏi nữa. Toàn bộ khu vực của California mang tên của nó. Các công ty lớn nhất trên thế giới đều được xây dựng dựa trên nó, theo nghĩa đen và về mặt tài chính. Nhưng silicon đã không đạt được vị trí này vì ai đó đã quyết định rằng nó là chất bán dẫn tốt nhất có thể tưởng tượng được. Nó đạt được điều đó nhờ sự kết hợp giữa phản ứng hóa học tốt, thời điểm may mắn và loại động lực công nghiệp gần như không thể đảo ngược một khi nó đã đi vào hoạt động.

 

 

Chất bán dẫn

 

Nó không bắt đầu với Silicon

Bóng bán dẫn đầu tiên không được làm từ silicon. Khi Bardeen và Brattain trình diễn thiết bị của họ tại Bell Labs vào tháng 12 năm 1947, vật liệu bên dưới các điểm tiếp xúc bằng vàng của họ là germanium. Có những lý do chính đáng cho việc này. Germanium dễ dàng được tinh chế đến mức mà công việc bán dẫn ban đầu yêu cầu và các electron di chuyển qua nó tự do hơn so với silicon ở điện áp mà các nhà nghiên cứu đang sử dụng. Nếu bạn là một nhà vật lý vào năm 1950 đặt cược xem vật liệu nào sẽ thống trị ngành công nghiệp điện tử thì germanium sẽ không phải là một lựa chọn vô lý.

Dù sao nó cũng thua. Và cách nó thất bại nói lên điều gì đó quan trọng về cách công nghệ thực sự phát triển, điều hiếm khi đi theo con đường có vẻ hứa hẹn nhất ngay từ đầu.

Lỗ hổng chết người của Germanium là nhiệt. Khe cấm của nó nằm ở mức 0,67 electron volt, đủ hẹp để nhiệt độ tăng cao khiến các thiết bị rò rỉ dòng điện theo cách mà các kỹ sư không thể dễ dàng kiểm soát. Đặt một bóng bán dẫn germani bên trong một thiết bị quân sự, hoặc gần một ống chân không ấm, hay đơn giản là trong một thiết bị đã chạy được một giờ, và hoạt động của nó sẽ thay đổi. Loại khó lường đó có thể chấp nhận được trong phòng thí nghiệm. Nó không thể chấp nhận được trong một sản phẩm.

 

Một lớp kính đã thay đổi ngành sản xuất

Silicon có dải cấm 1,1 electron volt, giúp nó có độ ổn định nhiệt tốt hơn đáng kể. Các thiết bị được chế tạo trên silicon có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ khiến germanium hoạt động sai. Chỉ điều đó thôi có lẽ đã đủ để làm nghiêng cán cân. Nhưng silicon còn có lợi thế thứ hai mà không ai có thể lường trước được, và hóa ra nó quan trọng hơn bất cứ thứ gì khác.

Khi silicon tiếp xúc với oxy, nó sẽ tạo ra một lớp silicon dioxide mỏng, cứng và đồng đều trên bề mặt của nó. Silicon dioxide có tính cách điện, ổn định về mặt hóa học và liên kết với silicon bên dưới nó với độ đồng nhất có thể được kiểm soát và lặp lại trên toàn bộ tấm bán dẫn. Khi các kỹ sư vào cuối những năm 1950 đang tìm cách chế tạo các bóng bán dẫn trên một bề mặt phẳng và nối chúng lại với nhau bằng kim loại lắng đọng, lớp oxit tự nhiên đó đã trở thành thành phần thiết yếu. Nó phục vụ như là rào cản cách điện giữa các thành phần. Bạn có thể nuôi nó bằng nhiệt, khắc các cửa sổ qua nó bằng axit, đặt các lớp mới lên trên nó và thực hiện tất cả những điều này với độ chính xác đủ để xác định các đặc điểm mà mắt thường không thể nhìn thấy.

Germanium không có oxit như vậy. Germanium dioxide hòa tan trong nước và phân hủy ở nhiệt độ mà quá trình xử lý chất bán dẫn yêu cầu. Đây không phải là một vấn đề có thể giải quyết được bằng kỹ thuật tốt hơn. Nó là một tài sản vật chất và nó đã loại bỏ germanium khỏi quy trình sản xuất mà ngành công nghiệp đang tập trung vào.

Silicon chiến thắng không hoàn toàn vì bản chất của nó mà vì những gì nó làm được trong môi trường chế tạo. Quá trình phẳng cần một vật liệu có oxit ổn định và có thể phát triển được. Silicon đã có một cái. Mọi thứ khác theo sau từ đó.

 

Chín mươi phần trăm bánh xốp trên thế giới trông như thế nào

Silicon hiện chiếm hơn 90% tổng số tấm bán dẫn được sản xuất trên toàn cầu. Nó là chất nền cho bộ xử lý trong máy tính xách tay, bộ nhớ trong điện thoại, cảm biến hình ảnh trong máy ảnh, bóng bán dẫn điện trong bộ điều khiển máy nén của tủ lạnh và pin mặt trời được lắp đặt trên nhiều mái nhà. Bề rộng của sự hiện diện của nó là khó để phóng đại.

Một phần duy trì điều này là quy mô công nghiệp tuyệt đối. Một nhà máy chế tạo tấm bán dẫn silicon hiện đại tốn khoảng từ 10 đến 20 tỷ đô la để xây dựng và mọi công cụ bên trong nó, mọi quy trình hóa học, mọi quy trình kiểm soát chất lượng, đều đã được phát triển và cải tiến qua nhiều thập kỷ với đặc biệt là silicon. Các chất quang dẫn được chế tạo cho silicon. Các chất hóa học khắc được điều chỉnh cho silicon. Các kỹ sư biết silicon.

Điều mà hầu hết mọi người ngoài ngành không nghĩ đến là cơ sở hạ tầng hỗ trợ giúp hoạt động hiệu quả. Sản xuất chất bán dẫn phụ thuộc vào dòng nước siêu tinh khiết, khí xử lý và chất ăn mòn hóa học mạnh di chuyển liên tục qua các hệ thống phân phối được kiểm soát cẩn thận. Mọi đường dẫn chất lỏng trong nhà máy, từ vòng nước khử ion rửa các tấm bán dẫn giữa các bước cho đến đường dẫn axit hydrofluoric để loại bỏ oxit, đều yêu cầu các bộ phận có thể xử lý môi trường ăn mòn mà không làm nhiễm bẩn quy trình. MỘTvan bi thép không gỉlà một trong những điểm kiểm soát phổ biến nhất trong các hệ thống này, được sử dụng để cách ly đường dây, điều chỉnh luồng và cho phép bảo trì mà không cần tắt toàn bộ vòng lặp. Các tiêu chuẩn về độ sạch áp dụng cho các van này trong môi trường bán dẫn có yêu cầu khắt khe hơn đáng kể so với hầu hết các ngành công nghiệp khác, bởi vì ngay cả sự nhiễm bẩn kim loại từ một khớp nối được chỉ định kém cũng có thể làm hỏng toàn bộ mẻ bán dẫn. Vì lý do này, các kỹ sư của nhà máy xử lý việc lựa chọn mọi van bi bằng thép không gỉ trong hệ thống phân phối hóa chất với mức độ nghiêm túc tương tự như khi họ chỉ định thiết bị xử lý, xem xét chứng nhận vật liệu, tiêu chuẩn hoàn thiện bề mặt và mức độ chất gây ô nhiễm có thể chiết xuất được trước khi lắp đặt một van duy nhất trên dây chuyền.

Đây là lớp công nghiệp hiếm khi xuất hiện trong phạm vi phủ sóng của chip và chế tạo, nhưng nó cũng cần thiết như chính các máy in thạch bản. Khi mọi người nói về việc khó tái tạo hoặc di dời chuỗi cung ứng chất bán dẫn, họ đang nói một phần về điều này: tính đặc hiệu tích lũy của mọi bộ phận trong quy trình, cho đến các phụ kiện và phần cứng điều khiển dòng chảy bên trong tủ phân phối hóa chất.

 

Van bi thép không gỉ LEADTEK 2PC

 

Những nơi silicon hết đường

Silicon thực sự có những giới hạn, và trong một số ứng dụng nhất định, những giới hạn đó đã không còn là mối lo ngại về mặt lý thuyết mà bắt đầu trở thành những vấn đề kỹ thuật thực sự.

Gallium nitride có dải cấm 3,4 electron volt, gấp hơn ba lần silicon. Khoảng cách rộng hơn đó cho phép các bóng bán dẫn GaN chặn điện áp cao hơn, chuyển đổi ở tần số cao hơn và tản nhiệt hiệu quả hơn một thiết bị silicon có kích thước tương đương. Bộ sạc nhanh đi kèm với điện thoại thông minh và máy tính xách tay hiện tại sử dụng bóng bán dẫn điện GaN thay vì silicon, đó là lý do tại sao chúng có thể nhét công suất sạc 60 hoặc 100 watt vào một thứ đủ nhỏ để bỏ quên trong túi áo khoác. Silicon sẽ cần một thiết bị vật lý lớn hơn để thực hiện công việc tương tự với hiệu suất tương tự. Bộ khuếch đại GaN cũng là trung tâm của cơ sở hạ tầng trạm gốc 5G, nơi giới hạn tần số của silicon trở thành trần cứng thay vì hướng dẫn mềm.

Cacbua silic đóng vai trò tương tự ở mức công suất cao hơn, đặc biệt khi khả năng loại bỏ nhiệt là hạn chế ràng buộc. Độ dẫn nhiệt của nó gần gấp ba lần so với silicon, điều này quan trọng khi bạn định tuyến hàng trăm kilowatt thông qua bộ biến tần của xe điện. Một số nhà sản xuất lớn đã chuyển bộ biến tần lực kéo của họ từ IGBT silicon sang mô-đun cacbua silic và mức tăng hiệu suất đã đủ thực tế để hiển thị trong số liệu về phạm vi lái xe.

Ngoài hai loại này, còn có những tài liệu thu hút được sự quan tâm nghiên cứu đáng kể nhưng vẫn chưa được đưa vào sản xuất chính thống. Gallium oxit có dải cấm gần bằng 5 electron volt và các đặc tính đánh thủng về mặt lý thuyết sẽ giúp nó hữu ích trong các ứng dụng điện áp rất cao, nhưng công nghệ phát triển các tấm bán dẫn không có khuyết tật{1}}trên quy mô lớn vẫn đang được nghiên cứu. Độ linh động điện tử của graphene về mặt lý thuyết là khoảng hai trăm nghìn cm vuông mỗi volt-giây, một con số nhỏ hơn 1400 của silicon và các nhà nghiên cứu đã chỉ ra con số đó trong gần hai mươi năm qua trong khi các bóng bán dẫn graphene thực tế có thể thực sự cạnh tranh với silicon trong một mạch thực tế phần lớn vẫn nằm ngoài tầm với.

 

Vị trí trung thực

Silicon là chất bán dẫn phổ biến nhất và nó sẽ tồn tại lâu hơn hầu hết những người hiện đang làm việc trong ngành có thể chứng kiến. GaN và SiC không thay thế silicon một cách rộng rãi. Họ đang giành được những góc cụ thể của thị trường nơi mà cơ chế vật lý của silicon thực sự không còn phù hợp nữa, và silicon đang nhường lại những góc đó mà không cần phải đấu tranh nhiều vì nền kinh tế ở đó đã chuyển sang chống lại nó.

Những gì thực sự đang thay đổi là một cái gì đó tinh tế hơn. Trong phần lớn lịch sử của ngành bán dẫn, silicon không chỉ là vật liệu phổ biến nhất. Đó là tài liệu giả định, điểm khởi đầu cho bất kỳ cuộc trò chuyện về thiết kế nào, mặc định mà bạn chỉ bắt đầu khi bạn có lý do mạnh mẽ bất thường. Giả định đó đang lỏng lẻo ở các cạnh. Không sụp đổ, không bị lật đổ, chỉ lỏng lẻo. Chất bán dẫn phổ biến nhất vẫn là silicon. Câu hỏi thú vị nhất hiện nay về vật liệu bán dẫn là silicon không còn là câu trả lời hiển nhiên nữa và điều gì sẽ lấp đầy khoảng trống mà nó để lại.