Sok mindennapi elektronikai eszközünk így vagy úgy tranzisztorokra támaszkodik. A tranzisztorok olyan elektronikus alkatrészek, amelyek az eszközön áthaladó áram áramlásának szabályozására szolgálnak. Elektronikusan vezérelt kapcsolókként működnek, amelyek be- és kikapcsolnak, és bináris jeleket szolgáltatnak, amelyeket az eszközök felhasználhatnak az adatok feldolgozására.
Amint el tudja képzelni, a tranzisztorok szinte minden elektronikus eszközben megtalálhatók, amelyet naponta használ. A tranzisztorok többféle alapanyagból készülhetnek. A gyártók azonban minden más anyagnál előnyben részesítik a szilíciumot. Íme három ok, hogy miért.
1. A szilícium olcsó
A szilícium az oxigén után a második legelterjedtebb elem a földkéregben. Bár a tiszta szilícium ritka, az olyan anyagok, mint a szilícium-dioxid (SiO2), könnyen hozzáférhetők a tengerparton vagy más homokos környezetben.
A tengerparton a szilícium-dioxidot általában fényes szemcsékként lehet azonosítani, amelyek szikráznak, amikor homokot kezelünk egy napsütéses napon.
A strand azonban nem jó hely a szilícium beszerzésére. A tengerparti homok túl sok szennyeződést tartalmaz, így a szilícium-dioxid és más anyagok aránya nem ideális. A gyártók vagy szilícium-szolgáltatóktól vásárolnák, vagy maguk bányásznák ki az anyagokat olyan helyeken, ahol sűrű a szilícium-dioxid-koncentráció.
Más metalloid anyagokkal összehasonlítva a szilícium sokkal könnyebben és egyszerűbben tisztítható. Mivel a szilícium csak szilícium és oxigén kombinációja, mindössze annyit kell tennie, hogy eltávolítja az oxigénrészecskéket, és már csak tiszta szilícium marad.
Az eljárás lényege, hogy a szilícium-dioxiddal szenet vezetnek be egy 3632 Fahrenheit-fokra (2000 Celsius-fokra) melegített kemencében. A hőből származó energia szétszedné a szilíciumot és az oxigént. Az atomi szerkezetek alapján az oxigén nagyobb valószínűséggel kötődik a szénhez, így nagy koncentrációjú szilícium marad a folyamatban.
2. A szilíciumot a chipek feldolgozásában használt MOSFET-ek készítésére használják
A MOSFET-ek (fém-oxid-szilícium térhatás-tranzisztorok) az ideális tranzisztor típusok processzorok és memóriák, például CPU-k, RAM-ok, SSD-k és flash meghajtók készítéséhez. Ahogy a neve is sugallja, a MOSFET-ek szilíciumból készülnek. A MOSFET-nek számos olyan tulajdonsága van, amelyek ideális alkatrészekké teszik őket feldolgozó chipek előállításához. Ezek közé tartoznának:
- Energia hatékonyság. Más tranzisztorokkal ellentétben a MOSFET-eket feszültség és nem áram vezérli. A kapu feszültségének szabályozásával és a tranzisztoron csak minimális mennyiségű árammal kevesebb energiát fogyasztanak.
- Nagyfrekvenciás kapcsolás. A MOSFET BE és KI kapcsolásához minimális áramot használva az ilyen típusú tranzisztorok ideálisak a nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz, például a processzorokhoz.
- Alacsony elektromágneses interferencia. Az alacsony áramerősség megakadályozza, hogy a MOSFET olyan elektromágneses interferenciát keltsen, amely hatással lehet a mellette lévő többi alkatrészre is. Anélkül, hogy aggódtak volna az elektromágneses interferencia miatt, a mérnökök képesek voltak ilyen sűrű formátumokba csomagolni őket.
- Természetes szigetelés. A szilícium olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek természetes szigetelést biztosítanak. A másik ok, amiért a MOSFET-eket sűrűn lehet csomagolni, a természetes szigetelés miatt van.
- Nagy termálfürdők. A nagy áramok felmelegítik a vezetőket. Mivel a MOSFET-ek nem használnak sok áramot, nem melegszenek fel annyira – persze hacsak nem túlhúzod őket.
- Túlhajtható. Az alacsony hőfokon futás azt is jelenti, hogy a kapcsolóként használt MOSFETS sokkal jobban fojtható, mint más típusú tranzisztorok.
Számos előnyével és alkalmazási területével a MOSFET-ek a választott tranzisztorok az elektronikus chip-alkatrészek készítésekor, de miért használjunk szilíciumot térhatású tranzisztorok készítéséhez? Miért nem más elemek?
A tranzisztorok készítésekor a gyártóknak félvezető tulajdonságokkal rendelkező elemet kell használniuk, például szilíciumot. A félvezetők olyan metalloidok, amelyek nem vezetők és nem szigetelők. Továbbra is engedik az áramot rajtuk keresztül, csak nagyon nem hatékony módon.
A tiszta szilícium természetesen rossz vezető. Azonban szennyeződések, például bór és foszfor hozzáadásával a mérnökök képesek voltak megváltoztatni a félvezetők, amelyek lehetővé teszik, hogy a tranzisztorok vezetőről szigetelőre váltsanak, amikor feszültséget vezetnek be, hasonlóan kapcsoló.
Összefüggő: Mitől olyan különlegesek az Apple iPhone chipjei?
3. Könnyű gyártási folyamat
Bár más félvezetők is rendelkeznek olyan tulajdonságokkal, amelyek jobb térhatású tranzisztorok készítésére alkalmasak, a szilícium még mindig az előnyben részesített anyag az egyszerű előállítása miatt. Ez kevesebb bonyolultságot jelent, ami azt jelenti, hogy kevesebb pénzt költenek speciális szerszámokra és extra feldolgozásra.
Az egyik fő oka annak, hogy a szilíciummal könnyebben lehet dolgozni, a magas olvadáspontja. A szilícium olvadáspontja 2570 Fahrenheit-fok (1410 Celsius-fok). A magas olvadáspontú anyagok nélkülözhetetlenek a mikrochipek gyártásához, különösen, ha az utolsó kaput valósítják meg gyártás, amely bevezet egy álkaput, amelyet helyőrzőként használnak egy öntőforma készítéséhez, ahol a tényleges aktív kapunak kell lennie telepítve.
Egy másik tulajdonság, ami miatt a szilícium könnyebben gyártható, a természetben előforduló szigetelő tulajdonsága. Amikor oxigént juttatnak a felső szilíciumrétegekbe, fém-oxid-szilícium (üveg) réteget képeznek. Az üveg még vékony rétegekben is kiváló szigetelő, így a gyártók ingyenes szigetelést kaphatnak, így rengeteg költséget és gyártási időt takarítanak meg.
Amellett, hogy olcsó, a szilíciumgyártás sokkal jelentősebb, mint bármely más félvezetőgyártás a piacon. Mivel a szilícium könnyen elérhető, a gyártóknak nem kell attól tartaniuk, hogy kifogynak a munkához szükséges nyersanyagokból, így időt takarítanak meg, és több mikrochipet készítenek, ami nagyobb profitot jelent.
Összefüggő: Mi az a rendszer a chipen (SoC)?
A szilícium mindenütt jelen van
A szilícium a végső félvezető, amely lehetővé tette, hogy világunk virágzóvá váljon, és a mai technológiai behemót legyen. Ez a felelős azért, hogy bizonyos technológiát lehetővé tegyen, és ez az oka annak, hogy a világ többsége élvezheti a technológiát.
Bár a szilícium számos gyártási előnnyel rendelkezik, amelyek jövedelmezőbbé teszik a technológiai ipart, Ön, a fogyasztó is profitál a szilíciumgyártásból. Elektronikai eszközök, például okostelefonok, számítógépek, játékkonzolok, televíziók, CMOS kamerák és az összes többi okoseszközt megfizethetővé teszik az alacsony nyersanyagköltség és a könnyebbség miatt gyártás.
A szilícium olyan nagy része életünknek, hogy ironikus módon a szilíciumot (a szennyezett szilíciumot) homokos környezetből kell kitermelni, míg a tiszta szilícium elszórtan megtalálható háztartásunkban.
A Moore-törvény évtizedek óta diktálja a technológiai fejlődés ütemét. De mi történik, ha elérik a fizikai határokat?
Olvassa el a következőt
- Technológia magyarázata
- Számítógép memória
- processzor
Jayric Maning, aki arra vágyott, hogy megtanulja, hogyan működnek a dolgok, tinédzserkorában kezdett mindenféle elektronikus és analóg eszközzel bütykölni. A Baguio Egyetemen tanult törvényszéki tudományt, ahol megismerkedett a számítógépes kriminalisztika és a kiberbiztonság kérdéseivel. Jelenleg sok önálló tanulást végez, és trükközik a technológiával, hogy kitalálja, hogyan működnek, és hogyan használhatjuk őket az élet könnyebbé (vagy legalább hűvösebbé tételére!).
Iratkozzon fel hírlevelünkre
Csatlakozzon hírlevelünkhöz műszaki tippekért, ismertetőkért, ingyenes e-könyvekért és exkluzív ajánlatokért!
Kattintson ide az előfizetéshez