Полупроводники — зачем нужны и почему важны?
#знания
Полупроводники — одна из самых недооцененных технологий. Объясняем, что это
#знания
Полупроводник — особый тип материала, который является основой для микрочипов. В статье разбираемся, как он устроен, и почему эта отрасль имеет решающее значение для всего мира.
Главной технологией 2021 года были далеко не метавселенные,
блокчейнили танцующие
(псевдо)роботыИлона Маска, недавно
писалWired. Ей оказалось то, что десятилетиями было скрыто от глаз, но продолжало двигать вперед целые индустрии — обычные кремниевые полупроводники. Те, что дали название
Кремниевой долине, даже если сейчас она ассоциируется в основном с интернет-гигантами типа Amazon или Google, а не с производителями компьютеров вроде Intel.
Такой фокус на полупроводниках, которые существуют по меньшей мере полвека, связан с кризисом. Не успев оправиться после пандемии COVID-19 и карантинов, мир столкнулся с нехваткой этих полупроводников. Сыграли два фактора: во-первых, спрос на электронику при переходе на удаленку заметно вырос, во-вторых, на заводах по производству полупроводников работа временно останавливалась из-за аварий. Бум майнинга тоже размывал баланс спроса и предложения.
От кризиса пострадали буквально все отрасли. Хрестоматийный пример — автопром, ведь даже простые бензиновые машины содержат более 100 компонентов на основе этого материала, а продвинутые — свыше 1 000.
Дефицит полупроводников, как ожидается, сохранится до 2023–2024 года. Их производство сейчас в основном сосредоточено в Азии, в «большой четверке» стран: Китае, Японии, Южной Корее и на Тайване. Однако заводы начинают строить по всему миру, потому что правительство осознало важность локализации технологии, которая раньше казалась сама собой разумеющейся.
При этом в бытовом плане понимание того, что такое полупроводники, для некоторых остается загадкой. В этой статье объясняем значение слова «полупроводник» и саму технологию.
Полупроводник — это особый материалСамый популярный пример такого материала — кремний, а также химические элементы германий, селен, теллур, мышьяк и другие. В определенных условиях они могут проводить больше электричества, чем изоляторы (например, стекло, резина), но меньше, чем чистые проводники (медь или алюминий). Свойства полупроводников, в том числе кремния, можно усилить путем легирования — добавления различных примесей в исходный материал.
Процесс их изготовления и подготовки для дальнейшей работы сложный, включает много этапов. Кристаллы сверхчистого монокристаллического кремния выращиваются по методу Чохральского из расплавленного поликристаллического кремния (который, в свою очередь, получают из мелкого белого песка или кварцевого песка, очищенного от 99,999999999% других элементов).
Уже после этого кристалл режется на тонкие пластины.
Полупроводники обычно используются при создании электроники, если конкретнее — микросхем в ней. Поэтому иногда их называют просто чипами (хотя это обобщение и упрощение). Их основная задача, с учетом их свойств, — контролировать как, когда и куда будет двигаться поток электронов. Они могут усиливать сигнал, переключать его и преобразовывать.
Подробнее о том, как устроен полупроводник (если вы ощущаете себя ботаником)Сначала вспомним определение электрического тока — это поток электронов, передающихся от одного атома вещества к другому. Структура, скажем, металлов такова, что в оболочках их атомов всегда есть пара свободных электронов, почти не связанных с ядром. Это значит, что они могут перемещаться внутри материала, делая его высоко проводимым для электричества. В изоляторах типа резины связь электронов с ядром атома очень прочная, поэтому ток они не проводят.
В полупроводниках свободных электронов тоже не очень много, но к ним можно «подсадить» с помощью легирования определенные атомы: трех- или пятивалентные:
- Так, если добавить к четырехвалентному кремнию пятивалентный мышьяк, атомы веществ вступят в ковалентную связь. Однако одному электрону атома мышьяка места не будет — он превратится в свободный электрон, который и будет переносить электрический ток (как в металлах). Итоговый материал называют полупроводником n-типа, а саму примесь в виде мышьяка — донорной.
- Если же добавить к кремнию трехвалентный бор или галлий, наоборот, у последних будет недоставать одного электрона, поэтому в результате реакции будет появляться положительно заряженный ион (в этом случае говорят, что образовалась «дырка»). Он и будет основным носителем заряда . Итоговый материал называют полупроводником p-типа, а примесь — акцепторной.
Из полупроводников «собираются» такие простые электронные компоненты как диод и транзистор.
В первом случае речь идет о соединении полупроводников n- и p-типа, во втором — о соединении трех полупроводников (n-p-n или p-n-p). Из транзистора, диода и других компонентов обычно состоят более сложные микросхемы, то есть чипы (теперь логика чип = полупроводник должна быть более понятной).
Видео хорошо демонстрирует, насколько сложными бывают чипы:
Основные виды полупроводниковых чиповЧипы памяти
Их задача — хранить и передавать данные другим частям компьютера. Есть два основных вида: оперативная (ОЗУ, RAM) — для временного хранения — и постоянная память (ПЗУ, ROM). У обоих есть вариации. Так, среди ROM выделяют: однократно программируемую (PROM), перепрограммируемую с помощью спецустройств (EPROM), электрически перепрограммируемую (EEPROM, к ней относится флеш-память) и другие. При этом основной спрос связан с четырьмя позициями: DRAM, Flash ROM, SRAM и MRAM.
Скоро могут появиться новые прорывные чипы. В начале 2022 года ученые из Ланкастерского университета в своей статье объявили, что почти готовы к массовому производству разработанной ими же UltraRAM. Она, по словам исследователей, будет сочетать энергонезависимость флэш-памяти со скоростью, энергоэффективностью и долговечностью DRAM (динамической оперативной памяти).
Основными лидерами в производстве чипов памяти сейчас являются Toshiba, Samsung и NEC из Японии и Южной Кореи, пишет Investopedia. Если же говорить о самой популярной DRAM, здесь к монополисту Samsung (который держит 43% рынка) добавляются конкуренты в лице корейской SK hynix и американской Micron Technology. За счет относительно низкой маржинальности бизнеса и высоких затрат (например, на строительство заводов) оставаться в нем под силу только гигантским корпорациям.
Для иллюстрации чипов памяти и их важности в современной технике предлагаем посмотреть рекламный ролик Samsung про DDR5:
Микропроцессоры
Центральный процессор (ЦПУ, CPU) — устройство, которое отвечает за выполнение операций, прописанных в машинном коде.
Если проще — это то, что часто называют «сердцем» или «мозгом» компьютера, да и любой сложной техники. Может быть реализован в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких микросхем.
Первые процессоры появились более 50 лет назад, в 1968–1971 гг. За это время было создано несколько архитектур — принципов организации компонентов в процессорах. Сейчас в компьютерах используются в основном 32-х и 64-х разрядные чипы от Intel, AMD и IBM на архитектурах x86-64 и POWER, в мобильных устройствах применяется ARM. А вот в автомобилях и не очень требовательных чипах могут применяться 8-ми, 16-ти и 24-х разрядные микропроцессоры.
Обычно среди микропроцессоров отдельно выделяют графические процессоры (GPU), которые, например, отвечают за отображение графики на компьютерах. Они гораздо моложе, их массовая история началась где-то в 1999 году и позволила кратно увеличить производительность устройств, а также сделала возможным решение уникальных задач вроде майнинга криптовалюты.
Основными производителями графических процессоров часто называют NVIDIA и AMD. В контексте передовых решений это действительно так, но в общем случае это скорее заблуждение — более 60% рынка GPU до сих пор принадлежит компании Intel с их дискретной графикой Intel HD Graphics.
Подробное видео о создании центрального процессора от Intel:
Другие интегральные схемы
Обычно их используют для повторяющихся процедур в устройствах типа сканера штрих-кода или для автоматизации на производствах. Часто они заточены под одну конкретную задачу, в этом случае иногда говорят про ASIC — интегральные схемы специального назначения.
Например, есть ASIC для управления радиоканалом смартфона или чипы для майнинга биткоина — других функций у них, по сути, нет. К простым схемам также можно отнести программируемые вентильные матрицы (FPGA) — они настраиваются в соответствии со спецификациями производителя.
Отдельно можно выделить SoC — то есть «системы на кристалле».
Все электронные компоненты SoC находятся на одном чипе и способны выполнять функции целого устройства (скажем, всего ПК), а в смартфонах — дополнительно содержать графический слой, камеру, слой обработки аудио- и видео и так далее. Хороший пример таких систем — серия Apple silicon, которая используется в технике Apple.
Спрос на потребительские товары с широким функционалом и низкой ценой растет. При этом рынок памяти и процессоров давно занят, на нем остались, можно сказать, монополисты. Поэтому сейчас сегмент «систем на кристалле» остался, возможно, единственным дружелюбным для новых компаний, считают некоторые эксперты.
Чего ждать в производстве чипов глобальноСамые современные полупроводниковые компоненты выпускают три корпорации: TSMC на Тайване, Samsung в Южной Корее и Intel в США. Причем последние,
судя по всему, отстают не только в плане объемов (доля США в мировом производстве микросхем упала с 37% в 1990-м до 12% в 2021 году, по
данным SIA), но и в техническом плане.
При этом производство чипов имеет решающее значение не только в базовых отраслях, но и в направлениях, которые являются ключом к экономическому и стратегическому лидерству: искусственный интеллект, 5G, робототехника.
Поэтому в США ждет одобрения законопроект стоимостью $55 миллиардов для поддержки местной индустрии, а ЕС может выделить более €43 миллиардов, чтобы к 2030 году производить в Европе 20% всех микросхем в мире (сейчас показатель не больше 10%). Однако, по крайней мере в плане обещаний, лидирует Китай — они планируют потратить на развитие отрасли $150 миллиардов — и Южная Корея, которая готова инвестировать $451 миллиард за 10 лет.
О будущем России в этой сфере недавно писал Forbes. Такие отечественные полупроводники как «Байкал» и «Эльбрус» целиком зависели от компонентов тайваньской TSMC. Новых поставщиков пока не нашлось, а собственные технологии еще не готовы их заменить.
Многие компании (в основном IT-корпорации) пытаются создавать чипы самостоятельно, чтобы меньше зависеть от упомянутых выше монополистов. Большое внимание сейчас уделяется графическим процессорам, потому что они лучше подходят для задач искусственного интеллекта. Среди тех, кто ведет разработки — Apple, Amazon, Alphabet (Google), Microsoft и
даже Tesla.
Однако все это может только снизить число инноваций, считает профессор Массачусетского технологического института Нил Томпсон, потому что делает технологию более разрозненной (знаменитый закон Мура об экспоненциальном росте мощности чипов каждые 24 месяца уже не работает). С другой стороны, не исключено, что ИИ, ради которых сейчас создают новые чипы, скоро будет проектировать их сам.
Подписывайтесь на Интерсвязь в социальных сетях!
19.05.2022
Как будет выглядеть человек через 10 000 лет?
12.
05.2022
9 напряженных сериалов по мотивам подкастов
05.05.2022
Узнай, кто звонил. Приложения против мошенников и спама
28.04.2022
Игры, в которых можно заработать: как они устроены?
21.04.2022
7 востребованных языков программирования
14.04.2022
Про квантовые компьютеры простыми словами
07.04.2022
ТОП-5 случаев мошенничества в интернете в 2022 году
31.03.2022
Правда или фейк? 12 мифов про гаджеты, в которые все верят
19.05.2022
Как будет выглядеть человек через 10 000 лет?
Люди будущего будут такими же высокими, как голландцы, а жить будут долго и счастливо, полагают ученые.
12.05.2022
9 напряженных сериалов по мотивам подкастов
Некоторые подкасты не обязательно слушать — можно смотреть.
05.05.2022
Узнай, кто звонил. Приложения против мошенников и спама
Изучаем все варианты защиты от спама с их плюсами и минусами
28.04.2022
Игры, в которых можно заработать: как они устроены?
Изучаем экономику P2E-игр на примере Axie Infinity, Splinterlands и Alien Worlds и считаем прибыль
21.
04.2022
7 востребованных языков программирования
От Python до Golang и R — помогаем новичкам разобраться, какой язык учить и для чего он обычно используется
14.04.2022
Про квантовые компьютеры простыми словами
Решаем задачу про волка, козу и капусту с помощью квантового компьютера и подбрасываем монетку
07.04.2022
ТОП-5 случаев мошенничества в интернете в 2022 году
Обещания высокой доходности, победа в конкурсах и различные виды социальной инженерии.
31.03.2022
Правда или фейк? 12 мифов про гаджеты, в которые все верят
Новый тест поможет разобраться, как все-таки правильно заряжать телефон и пользоваться браузером
Что такое полупроводник, транзистор, микросхема? И что такое кризис полупроводников? Разбираемся.
Приветствую вас на канале Next 3D Print. Думаю, в последнее время все слышали про полупроводники, и их дефицит. Я предлагаю разобраться что они из себя представляют, окунуться в историю, и как обстоят дела на самом деле.
Так что предлагаю вам налить чаю, кофе или на ваш выбор напитка, устроиться с комфортом и начать.
Если вам проще усваивать материал на слух то можете посмотреть видео:
А для любителей текста сама статья:
Что является собой полупроводник?
Для начала надо определиться с понятиями, а для этого придется немного окунуться в физику. Но не бойтесь мои хорошие грузить формулами и схемами я вас не буду, это больше вводный курс в основы.
Полупроводник представляет собой материал с особыми электропроводными свойствами. Именно благодаря этим свойствам можно получить диод, а за ним и транзистор. На транзисторах у нас сейчас работает вся электроника. Важно отметить, что электроника и электрика — это разные вещи. То есть простой масляный обогреватель — это электрический прибор, а не электронный, а вот если ему добавить блок управления, в котором будут транзисторы или микросхемы то он станет электронным прибором.
То есть мы можем сделать такой вывод – что все приборы, где есть транзисторы или микросхемы то это электроника, если этого нет, то это электрические приборы.
И думаю в этот момент меня поймут гитаристы, ведь электрогитара — это электрическая гитара, конечно сейчас есть и всякие интеллектуальные гитары, но это уже другое. Так что-то я немного отвлекся, вернемся к полупроводникам.
Диод, транзистор, микросхема.
Так вот сам по себе полупроводник, как мы говорили, это просто материал. А вот чтобы он выполнял поставленные задачи нужно создать P-N переход. Так стоп не надо пугаться сейчас всё объясню на пальцах. Абы какой кремний нам не подойдет нам нужен чистейший а именно чистота материала должна составлять 99 и еще семь девяток после запятой, монокристалл кремния, моно означает что он имеет непрерывную кристаллическую решётку.
Затем этот кристалл нарезаем на тонкие пластины. Чтобы проще представить монокристалл кремния — это палка колбасы, а пластины это тот кусок колбасы, который вы кладете на хлеб.
А вот теперь берём эту кремниевую пластину и атомами фосфора или мышьяка проводим бомбардировку. По итогу мы получим уже полупроводник n-типа в котором электронов будет больше, это такие заряженные ребята в кремнии, а то что их больше означает что некоторые из них свободны. Кстати говоря, такая бомбардировка называется легирование полупроводников.
А вот если мы пластину насытим атомами бора то уже получается полупроводник p-типа. Это уже обратный тип полупроводника, то есть вместо электронов — их отсутствие, которое довольно просто называют: дырки.
Также мы можем на одной пластине проводить такие бомбёжки только определённых участков, тем самым, получая нужные типы полупроводников. Если немного углубиться в процесс создания микросхем, то самый близкий аналог будет, как ни удивительно, из кулинарии, а именно — многослойные торты.
Вот мы получили два полупроводника: P-типа с — дырками и N-типа — с электронами. И теперь, когда мы соединим их друг с другом, мы получим самый первый полупроводниковый компонент.
Так вот, а если мы сделаем бутерброд из двух слоев P-типа, а между ними добавим слой N-типа или наоборот, то таким образом мы получим триод или же более популярно сказать транзистор. По правде говоря, изобретение транзистора является величайшим достижением 20-го века. До этого были известны и очень часто пользовались вакуумные триоды и диоды, это период ламповых приборов.
В принципе вакуумные триоды и диоды выполняли все те же функции, что и полупроводниковые транзисторы и диоды, однако имели более крупные габариты, и большее энергопотребление.
То есть схематически ноутбук можно собрать и на ламповых приборах, но вот взять назвать его компактным и мобильным уже не получится.
А чтобы его запитать вам потребуется электрогенератор. И думаю, далее не стоит объяснять почему полупроводники захватили все сферы? Я думаю, все и так это понимают, так что продолжим.
Грубо говоря, транзистор это такой переключатель, то есть при небольшом входном сигнале он может управлять значительным током на выходе, а также очень малым временем задержки. Кстати, на этом принципе строятся все транзисторные усилители.
Идём дальше, если мы добавим на кремний не один такой транзистор, а несколько десятков — то мы получим уже микросхему, которая может обладать логикой работы, или выполнять другие заранее заложенные в нее функции.
К слову, в современном компьютерном процессоре таком как Intel Core i9-12900K, количество транзисторов может достигать примерно 3 млрд.
Кризис полупроводников
Так вот плавно мы подошли к вопросу о всем насущном кризисе полупроводников. И исходя из всего о чём я уже сказал, у меня в голове немного не связывались определения, я думаю ну неужели кончается вещества, которые применяются в изготовлении полупроводников таких как: кремний, бор, сапфир, мышьяк и так далее.
Также был вопрос почему именно автопроизводители больше всех кричат о том, что сейчас кризис полупроводников.
Тем самым я углубился в этот вопрос, и оказалось, что официально это называется глобальная нехватка микросхем. И выражается он в том, что спрос превышает предложение примерно на 10-30%.
И логично что данный дефицит сказался на множестве отраслей и еще скажется.
Если смотреть в причины, то первым толчком стала пандемия ковид-19, когда многие производства были закрыты на карантин, а потребление электроники во всём мире выросло. Далее в октябре 2020 года произошёл пожар на Asahi Kasei Microdevices (AKM) которое входит в состав бизнес-групп Asahi Kasei Corporation. А выпускались там микросхемы используемые в обработке видео, мобильной связи, оптических сетях, которые применялись в автомобильных рынках. Это, кстати, и есть причина почему все автопроизводители кричат об этом дефиците. Ведь из-за этого пожара он затронул их сильнее.
Но было не так бы плохо если бы в марте 2021 года не произошел пожар еще на одном заводе компании Runesasu Erekutoronikusu Kabushiki Gaisha. Которая также производила микросхемы для автомобильной отрасли.
Тем самым я получил ответ почему об этом кризисе заявляет именно автомобильная промышленность.
Также стоит отметить то, что хоть и IT сфера не так пострадала, но там есть другая угроза, а именно до сих пор разворачивающийся майнинг криптовалюты. Так как спрос на комплектующие вырос многократно, что не могли предвидеть производители. Во многом он связан именно с дефицитом микросхем памяти, которые, кроме ноутбуков, игровых консолей, планках памяти для персональных компьютеров и серверов, также используются в видеокартах(которые разбирают майнеры, как горячие пирожки). Но на данный момент дефицит в этой сфере не такой большой, а производители в свою очередь продолжают наращивать обороты.
Когда я углубился в эту тему — я понял что, этот кризис не надуман, и не способ нарастить цену, хотя и не без этого скорее всего.
Вывод.
На этом можно и заканчивать. Я постарался вкратце рассказать что есть полупроводник, а что — микросхема, а также немного покопаться и порассуждать на тему кризиса микросхем. И почему именно автомобильная промышленность об этом кризисе кричит больше всех. А вы, пожалуйста пишите в комментариях что думаете на эту тему, и сможет ли мир нарастить производство чтобы покрыть спрос. Не забываем подписываться на канал и поставить лайк, ссылки на все площадки в описании. Всем пока и до новых встреч!
Мы в Дзене: https://zen.yandex.ru/next3dprint
Мы в ВК: https://vk.
com/next3d
Мы на youtube: https://clck.ru/TvCwt
Мы на rutube: https://goo.su/a845f
Автор: Зиновьев С. А.
Редактор: Богомолов М.М.
Основы электроники: что такое полупроводник?
Автор: Дуг Лоу и
Обновлено: 17 сентября 2021 г.
Из книги: Электроника все-в-одном для чайников Купить на Amazon
Полупроводники широко используются в электронных схемах. Как следует из названия, полупроводник — это материал, проводящий ток, но лишь частично. Проводимость полупроводника находится где-то между проводимостью изолятора, который почти не имеет проводимости, и проводника, который имеет почти полную проводимость. Большинство полупроводников представляют собой кристаллы из определенных материалов, чаще всего из кремния. Чтобы понять, как работают полупроводники, вы должны сначала немного разобраться в том, как электроны организованы в атоме.
Электроны в атоме организованы слоями. Эти слои называются оболочками . Самая внешняя оболочка называется оболочкой валентности .Электроны этой оболочки образуют связи с соседними атомами. Такие связи называются ковалентными связями . Большинство проводников имеют только один электрон на валентной оболочке. Полупроводники, с другой стороны, обычно имеют четыре электрона в своей валентной оболочке.
Полупроводники состоят из кристаллов
Если все соседние атомы одного типа, все валентные электроны могут связываться с валентными электронами других атомов. Когда это происходит, атомы организуются в структуры, называемые кристаллами . Полупроводники сделаны из таких кристаллов, обычно кристаллов кремния.
Чистые кристаллы кремния не так уж полезны в электронике. Но если ввести в кристалл небольшое количество других элементов, кристалл начинает вести себя интересным образом.
Два типа проводников
Процесс преднамеренного введения в кристалл других элементов называется легированием . Элемент, введенный легированием, называется легирующей примесью . Тщательно контролируя процесс легирования и используемые примеси, кристаллы кремния могут превращаться в один из двух различных типов проводников:Полупроводник N-типа: Создается, когда легирующей примесью является элемент с пятью электронами в валентном слое. Для этой цели обычно используется фосфор.
Атомы фосфора соединяются прямо в кристаллической структуре кремния, каждый из которых связывается с четырьмя соседними атомами кремния точно так же, как атом кремния. Поскольку атом фосфора имеет пять электронов на своей валентной оболочке, но только четыре из них связаны с соседними атомами, пятый валентный электрон остается висящим, и ему не с чем связываться.
Дополнительные валентные электроны в атомах фосфора начинают вести себя как одновалентные электроны в обычном проводнике, таком как медь. Они могут свободно передвигаться. Поскольку этот тип полупроводника имеет дополнительные электроны, он называется полупроводником N-типа .
Полупроводник P-типа: Происходит, когда легирующая примесь (например, бор) имеет только три электрона на валентной оболочке. Когда небольшое количество включено в кристалл, атом способен соединиться с четырьмя атомами кремния, но, поскольку он предлагает только три электрона, отверстие создано. Дырка ведет себя как положительный заряд, поэтому полупроводники, легированные таким образом, называются полупроводниками P-типа.
Подобно положительному заряду, дырки притягивают электроны. Но когда электрон движется в дыру, электрон покидает новую дыру на прежнем месте. Таким образом, в полупроводнике P-типа дырки постоянно перемещаются внутри кристалла, поскольку электроны постоянно пытаются их заполнить.
Об этой статье
Эта статья взята из книги:
- Electronics All-in-One For Dummies,
Об авторе книги:
Дуг Лоу — автор бестселлеров более 80 книг 9001 книг. Он занимался всем, от Microsoft Office до создания веб-страниц и таких технологий, как Java и ASP.NET, и написал несколько выпусков PowerPoint для чайников, и Сеть для чайников.
Эту статью можно найти в категории:
- General Electronics ,
Все, что вы хотели знать о полупроводниках — IQS Directory Resource Center
Вы, несомненно, слышали о полупроводниках. Они действительно везде. Но хотя большинство людей слышали о полупроводниках, очень немногие знают о них много.
Мы намерены это изменить.
Считайте, что это ваше знакомство с миром полупроводников. К концу этой статьи вы сможете уверенно обсуждать эту тему, что, возможно, не принесет вам много свиданий, но, безусловно, принесет вам уважение инженеров-электриков.
Что такое полупроводник?
Полупроводник — это физическое вещество, предназначенное для управления и контроля потока тока в электронных устройствах и оборудовании. Он либо не пропускает свободно протекающий электрический ток, либо полностью отталкивает ток.
Полупроводник находится между проводником и изолятором и обычно используется при разработке электронных микросхем, вычислительных компонентов и устройств. Обычно он создается с использованием кремния, германия или других чистых элементов.
Полупроводники создаются путем добавления примесей к элементу. Проводимость или индуктивность элемента зависит от типа и интенсивности добавленных примесей.
Существует два основных типа полупроводников. Полупроводник N-типа используется, когда его проводимость выше или имеется большое количество свободных электронов. Полупроводник Р-типа используется, когда его индуктивность выше, а свободных электронов меньше.
Обычные устройства и компоненты, построенные с использованием полупроводников, включают компьютерную память, интегральные схемы, диоды и транзисторы.
Если вы хотите подробно изучить, как производятся полупроводники, вот полезное видео:
Элементы, используемые для создания полупроводников
Давайте подробнее рассмотрим два элемента, которые используются для создания большинства полупроводники.
Кремний
Кремний — второй по распространенности элемент на Земле, составляющий почти более 25% массы земной коры. Хотя в природе он не встречается в виде свободного элемента, он встречается в виде оксида и силикатов, включая агат, аметист, цитрин, яшму, кремень, опал, кварц и песок. Металлический кремний получают в результате реакций между диоксидом кремния и углеродными материалами, такими как уголь и древесная стружка.
Что касается крупных производителей кремния для пластин, то существует множество поставщиков в США и по всему миру, прежде всего в Калифорнии, Орегоне, Флориде, Азиатско-Тихоокеанском регионе, Китае и Европе. Считается, что Китай является крупнейшим производителем кремния, за ним следуют США.
Германий
Германий — это химический элемент, внешне похожий на кремний, который не встречается в природе в виде свободного элемента из-за его реактивности. Доступный в земной коре, он добывается из сфалеритовых цинковых руд, а также может быть извлечен из золы-уноса, угольных и медных руд.
Германий менее полезен, чем кремний, из-за его термической чувствительности и стоимости, но его все же сплавляют с кремнием для использования в некоторых высокоскоростных устройствах. IBM является основным производителем этих устройств. Лидер по производству германия в Китае, наряду с другими крупными производителями, включая США, Канаду, Россию и Бельгию.
Поиск новых полупроводников
Поскольку полупроводники являются таким ценным продуктом, компании постоянно ищут новые, лучшие способы их производства.
Начинается поиск новых полупроводников в периодической таблице элементов. В столбце IVA каждый элемент образует связи, разделяя четыре своих электрона с четырьмя соседями. Самым прочным из группы является углерод, используемый для создания алмазов. Алмазы являются хорошими изоляторами, потому что углерод крепко удерживает эти электроны, но обычно алмаз сгорает до того, как через него проходит электрический ток.
Олово и свинец гораздо более металлические.
Они так слабо удерживают свои связывающие электроны, что при приложении даже небольшого количества энергии электроны могут свободно разорвать свои связи и двигаться через материал.
Кремний и германий находятся где-то посередине и считаются полупроводниками. Однако из-за того, как они устроены, оба неэффективны при обмене электричества со светом.
Чтобы найти материалы, работающие со светом, вам нужно посмотреть по обе стороны столбца IVA периодической таблицы. Комбинирование элементов из групп IIIA и VA приводит к материалам с полупроводниковыми свойствами. Эти материалы, в том числе арсенид галлия, используются для создания лазеров, светодиодов и фотодетекторов. Они могут то, что кремний не может.
В дополнение к материалам IIIA-VA также используются материалы IIA-VIA. К ним относятся комбинации цинка, кадмия, ртути и теллура.
План Китая по повышению производительности полупроводников
Производство полупроводников — крупный бизнес, который может принести много денег.
Производство полупроводников кажется главным приоритетом для чиновников в Китае. Ссылаясь на неназванные источники, The Wall Street Journal сообщила, что поддерживаемый правительством Китайский инвестиционный фонд промышленности интегральных схем выделит средства на улучшение способности Китая разрабатывать и производить передовые процессоры и графические процессоры.
Размер фонда, который, как ранее сообщалось, оценивался в сумму от 19 до 32 миллиардов долларов, мог быть увеличен в результате кипящей торговой напряженности между Китаем и США
Государственное финансирование полупроводниковой промышленности Китая стал центром торговой напряженности, возникшей между двумя странами, когда каждая страна готова ввести тарифы на товары стоимостью в миллиарды долларов. США утверждают, что государственная поддержка полупроводниковой промышленности Китая является антиконкурентной.
Почему этот план улучшит способность Китая разрабатывать и производить современные микропроцессоры?
Китайское правительство активизировало усилия по созданию отечественной полупроводниковой промышленности, чтобы помочь обеспечить огромный рынок электроники, сигнализируя о своем намерении потратить 161 миллиард долларов в течение десяти лет на дальнейшие усилия.
В настоящее время Китай ежегодно импортирует полупроводников на сумму более 100 миллиардов долларов.
Согласно отчету Wall Street Journal, последний китайский инвестиционный фонд промышленности интегральных схем последует за аналогичным фондом, созданным в 2014 году, который привлек около 22 миллиардов долларов.
Недавние торговые споры с США вызвали у Китая повышенную потребность в поддержке отечественной полупроводниковой промышленности. США недавно наложили запрет на экспорт китайского телекоммуникационного провайдера ZTE, не позволяя американским поставщикам полупроводников и других компонентов продавать устройства ZTE, крупному клиенту Qualcomm и других поставщиков чипов в США.
Китай предлагает купить больше полупроводников в США
В связи с недавними торговыми спорами Китай предложил купить больше полупроводников в США, перенаправив некоторые закупки из Южной Кореи и Тайваня, чтобы помочь сократить активное сальдо торгового баланса Китая с США
Чтобы предотвратить надвигающуюся торговую войну с США, китайские официальные лица также спешат завершить разработку новых правил, которые позволят иностранным финансовым группам приобретать контрольный пакет акций их компаний, занимающихся ценными бумагами, сообщает Financial Times со ссылкой на источники, проинформированные об обсуждениях.
Еще больше напряженности в отношениях между Китаем и США
Бывший сотрудник Huawei обвинил компанию в попытке украсть интеллектуальную собственность, чтобы помочь Китаю добиться технологического превосходства над США.
Компания Huawei и ее подразделение FutureWei подали в суд на Хуанга и его стартап CNEX Labs в декабре прошлого года, обвинив Хуанга в краже конфиденциальных коммерческих секретов, связанных с полупроводниковой технологией, которая использует интегральные схемы в качестве памяти для хранения данных.
Хуан в ответе, поданном во вторник, сказал, что Huawei ошиблась. Он утверждает, что его наняли для того, чтобы китайская компания могла взять под контроль его изобретения для энергонезависимой памяти на твердотельных дисках, а затем, после его ухода, попыталась получить конфиденциальную информацию от его новой компании.
Однако этот иск выходит за рамки полупроводниковых технологий. Хотя федеральный суд в восточном Техасе должен определить, кому принадлежит технология, иск Хуанга направлен на то, чтобы извлечь выгоду из критики, что Huawei ведет нечестную игру.
Документ включает в себя обвинения в корпоративном шпионаже, поданные другими американскими компаниями, и отчет Конгресса, в котором говорится, что использование оборудования Huawei «может подорвать основные интересы национальной безопасности США».
«Huawei и FutureWei были важными участниками кампании корпоративного шпионажа, организованной с целью кражи интеллектуальной собственности у американских технологических компаний, таких как CNEX, в надежде превзойти Соединенные Штаты как доминирующую мировую технологическую сверхдержаву к 2025 году», — сказал Хуанг в своем письме. подача.
Новые металло-воздушные транзисторы
Теперь, когда мы отходим от напряженности между Китаем и США, давайте поговорим о технологии, которая может полностью заменить полупроводники.
Многие предсказывают, что удвоение количества кремниевых транзисторов на единицу площади каждые два года прекратится примерно к 2025 году, когда технология достигнет своих физических пределов.
Тем не менее, исследователи из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, считают, что разработанный ими полевой транзистор с воздушным каналом (ACT) на металлической основе может поддерживать удвоение транзисторов еще два десятилетия.
Устройство ACT устраняет необходимость в полупроводниках. Вместо этого в нем используются два плоскостных симметричных металлических электрода (исток и сток), разделенных воздушным зазором менее 35 нанометров, и нижний металлический затвор для настройки полевой эмиссии. Воздушный зазор в наномасштабе меньше, чем длина свободного пробега электронов в воздухе; следовательно, электроны могут путешествовать по воздуху при комнатной температуре без рассеяния.
В отличие от обычных транзисторов, которые должны размещаться в кремнии, их устройство представляет собой подход к изготовлению снизу вверх, начиная с подложки. Это позволяет им создавать полностью трехмерные транзисторные сети, если они могут определить оптимальные воздушные зазоры. По сути, это означает, что они могут перестать стремиться к миниатюризации и вместо этого сосредоточиться на компактной трехмерной архитектуре, позволяющей использовать больше транзисторов на единицу объема.
Использование металла и воздуха вместо полупроводников для основных компонентов транзистора также имеет много других преимуществ. Изготовление становится, по сути, одноэтапным процессом укладки эмиттера и коллектора и определения воздушного зазора. Хотя при производстве ACT используются стандартные процессы изготовления кремния, количество этапов обработки намного меньше, учитывая, что нет необходимости в легировании, термической обработке, окислении и формировании силицидов. Следовательно, затраты на производство должны быть значительно сокращены.
Замена кремния металлом означает, что эти устройства ACT могут быть изготовлены на любой диэлектрической поверхности, при условии, что нижележащая подложка позволяет осуществлять полезную модуляцию эмиссионного тока от истока к стоку с полем нижнего затвора. Машины могут быть построены на ультратонком стекле, пластике и эластомерах, чтобы их можно было использовать в гибких и носимых технологиях.
Термический нагрев и регулирование температуры являются важными аспектами производства полупроводников.
Мониторинг и точность процесса нагрева являются центральной частью процессов осаждения, травления и литографии или фотолитографии, каждый из которых требует термических характеристик и контроля температуры для достижения успеха. На каждом этапе производства полупроводников требуется тепло для формирования и придания формы продукту, а также исключительный контроль и точность.
Испытания являются необходимой частью разработки нагревателей для производства полупроводников. Это помогает инженерам находить материалы для проектирования, которые функционально эффективны и способны прослужить в течение всего срока службы полупроводника. Каждый производитель полупроводников использует различные процессы, процедуры и методы с собственными различиями между компонентами и системами. Нагревательные элементы регулируются и конфигурируются в соответствии с требованиями этих изменений, включая экстремальные температуры, которые могут потребовать высокой температуры и напряжения и длительной продолжительности.
Нагреватели, выбранные для производства полупроводников, должны соответствовать отраслевым стандартам и соответствовать конкретным требованиям производителя. Чтобы обеспечить соответствие спецификациям каждого производителя, определенные аспекты обогревателей тестируются для обеспечения высочайшего качества. Испытания могут оценивать:
- Долговечность материалов
- Способность материалов выдерживать циклы сопряжения и рассоединения
- Целостность сигнала
- Соответствие нормативным требованиям
Испытание на пригорание
Испытание на пригорание дает статистическую картину производительности нагревателя. Целью испытаний на пригорание является помещение нагревателя в типичные контролируемые рабочие условия и принуждение его к отказу. Он используется для обнаружения ранних отказов с использованием ускоренных параметров и помогает гарантировать, что нагреватель будет работать должным образом, в соответствии с ожиданиями, и избежать возможных проблем для конечных пользователей.
Существует три потенциальных сбоя, которые могут испытать нагреватель:
- Ошибки ранних сбоев могут быть:
- Проектирование
- Спецификация Missalendments
- Производственные ошибки
- Используйте ошибки:
- 9
- Использование ошибок
- .
- Неправильное использование
- Скачки напряжения
Печи, используемые для прижигания, могут быть простыми, сложными или изготовленными по индивидуальному заказу с нагревательными элементами, обеспечивающими надежный контроль температуры. Большинство печей имеют нагреватели из нержавеющей стали или трубчатые нагреватели, которые достигают температуры 1200°F при удельной мощности 40 Вт на квадратный дюйм.
Спиральный нагреватель от Backer HotwattНагреватели для производства полупроводников
Производство полупроводников зависит от теплового нагрева и точного контроля для обеспечения качества, производительности и долговечности полупроводников.
Производители выбирают нагреватели в соответствии с дизайном своего процесса, при этом долговечность и устойчивость являются основными факторами.
Полиимидный нагреватель изготовлен из каптона, полиимидной пленки, разработанной компанией DuPont. Они имеют очень тонкий профиль, чрезвычайно гибкие, обеспечивают отличное распределение тепла и обладают необходимой прочностью на растяжение. Полиимидные нагреватели имеют элемент из протравленной фольги толщиной от 0,0005 дюйма до 0,0001 дюйма, спрессованный в два слоя полиимидной пленки. Они отлично подходят для экстремальных температурных условий и сохраняют свою форму независимо от температурного воздействия.
Керамические нагреватели отличаются исключительно быстрым нагревом и охлаждением, что делает их идеальными для производства полупроводников. Они изготовлены из теплопроводной алюмонитритной керамики со встроенными вольфрамовыми резистивными нагревательными дорожками.
Керамические нагреватели изготавливаются в нескольких уникальных конфигурациях, которые служат в качестве связующих инструментов для полупроводниковых приложений.
Трубчатые нагреватели — это универсальные нагреватели, которые могут иметь любую форму и конфигурацию и осуществлять теплопередачу путем теплопроводности, конвекции или излучения. Поскольку они могут достигать исключительно высоких температур, они идеально подходят для промышленного использования, например, для производства полупроводников.
Паяные нагревательные пластины имеют нагревательные элементы с изоляцией из нескольких минералов для лучшей однородности и применения в нескольких зонах, где трубчатые нагреватели с одной зоной не могут соответствовать необходимым стандартам однородности. Они изготовлены из сложенных друг на друга пластин из нержавеющей стали, спаянных и гофрированных для увеличения площади поверхности и теплопередачи.
Поскольку термический нагрев и температура являются важной частью производства полупроводников, существуют нагреватели и нагревательные элементы, способные удовлетворить требования любого производителя полупроводников. Широкий выбор методов нагрева обеспечивает гибкость, точность и исключительный контроль процесса производства полупроводников.
Технологии постоянно меняются
Мир полупроводников постоянно меняется. Будь то из-за напряженности в отношениях между двумя странами или из-за новых инноваций, пытающихся полностью заменить полупроводники, через 5-6 лет технология, вероятно, будет совершенно другой.
Хорошей новостью является то, что на данный момент вы знаете достаточно, чтобы разумно рассуждать о полупроводниках. Итак, идите и произведите впечатление на людей. Или хотя бы выглядеть умнее.
Ресурсы
- https://electronics.howstuffworks.com/diode.htm
- https://www. wsj.com/articles/china-plans-47-billion-fund-to-boost-its- полупроводниковая промышленность-1525434907
- https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/devices/new-metalair-transistor-replaces-semiconductors
- https://techcrunch.com/2016/10/27/qualcomm- to-acquire-nxp-semiconductor-for-47-billion/
- http://theconversation.com/beyond-silicon-the-search-for-new-semiconductors-55795
- https://www.cnbc.com/2018/03/26/china-offers-to-buy-more-us-semiconductors-to-cut-trade-surplus-ft.html
- https:// techcrunch.com/2018/05/07/china-chip-fund/
- https://www.ccn.com/blockchain-adoption-levels-highest-in-the-semiconductor-industry-accenture/
- https: //newsroom.intel.com/news-releases/intel-supports-american-innovation-7-billion-investment-next-generation-semiconductor-factory-arizona/#gs.UAn82lU
- https://www.wsj. com/articles/u-s-startup-accuses-chinas-huawei-of-try-to-steal-semiconductor-technology-1539867401
- https://techcrunch.
wsj.com/articles/china-plans-47-billion-fund-to-boost-its- полупроводниковая промышленность-1525434907
