Что такое полупроводник? Инженер-электрик объясняет, как работают эти важные электронные компоненты и как они изготавливаются.

Jun 03, 2023

Профессор электротехники, Университет штата Аризона

Тревор Торнтон не работает, не консультирует, не владеет акциями и не получает финансирования от какой-либо компании или организации, которым будет полезна эта статья, и не раскрыл никакой связи, кроме своей академической должности.

Университет штата Аризона предоставляет финансирование в качестве члена The Conversation US.

Посмотреть всех партнеров

Полупроводники являются важной частью почти каждого современного электронного устройства, и подавляющее большинство полупроводников производится в Тавейне. Растущая обеспокоенность по поводу зависимости от Тайваня в производстве полупроводников – особенно с учетом непростых отношений между Тайванем и Китаем – привела к тому, что Конгресс США принял в конце июля 2022 года Закон о CHIPS и науке. Закон предусматривает субсидии на сумму более 50 миллиардов долларов США для стимулирования производства полупроводников в США. производство и широко освещалось в новостях. Тревор Торнтон, инженер-электрик, изучающий полупроводники, объясняет, что это за устройства и как они изготавливаются.

Вообще говоря, термин «полупроводник» относится к материалу, например кремнию, который может проводить электричество намного лучше, чем изолятор, такой как стекло, но не так хорошо, как металлы, такие как медь или алюминий. Но когда люди сегодня говорят о полупроводниках, они обычно имеют в виду полупроводниковые чипы.

Эти чипы обычно изготавливаются из тонких пластинок кремния со сложными компонентами, расположенными на них по определенному шаблону. Эти схемы управляют потоком тока с помощью электрических переключателей, называемых транзисторами, почти так же, как вы управляете электрическим током в своем доме, щелкая выключателем, чтобы включить свет.

Разница между вашим домом и полупроводниковым чипом заключается в том, что полупроводниковые переключатели полностью электрические – никаких механических компонентов, которые нужно переворачивать, – а чипы содержат десятки миллиардов переключателей на площади, не намного превышающей размер ногтя.

Полупроводники — это то, как электронные устройства обрабатывают, хранят и получают информацию. Например, чипы памяти хранят данные и программное обеспечение в виде двоичного кода, цифровые чипы манипулируют данными на основе инструкций программного обеспечения, а беспроводные чипы получают данные от высокочастотных радиопередатчиков и преобразуют их в электрические сигналы. Эти разные чипы работают вместе под контролем программного обеспечения. Разные программные приложения выполняют совершенно разные задачи, но все они работают путем переключения транзисторов, управляющих током.

Отправной точкой для подавляющего большинства полупроводников является тонкий слой кремния, называемый пластиной. Сегодняшние вафли размером с обеденную тарелку вырезаются из монокристаллов кремния. Производители добавляют такие элементы, как фосфор и бор, тонким слоем на поверхность кремния, чтобы увеличить проводимость чипа. Именно в этом поверхностном слое сделаны транзисторные ключи.

Транзисторы создаются путем добавления тонких слоев проводящих металлов, изоляторов и кремния ко всей пластине, нанесения рисунков на эти слои с помощью сложного процесса, называемого литографией, а затем выборочного удаления этих слоев с помощью управляемой компьютером плазмы высокореактивных газов, чтобы оставить определенные модели и структуры. Поскольку транзисторы настолько малы, гораздо проще добавлять материалы слоями, а затем аккуратно удалять ненужный материал, чем размещать микроскопически тонкие линии металла или изоляторов непосредственно на чипе. Нанося, создавая рисунок и травя слои различных материалов десятки раз, производители полупроводников могут создавать чипы с десятками миллиардов транзисторов на квадратный дюйм.

Отличий много, но самым важным, пожалуй, является увеличение количества транзисторов на кристалл.

Среди первых коммерческих применений полупроводниковых чипов были карманные калькуляторы, которые стали широко доступны в 1970-х годах. Эти ранние чипы содержали несколько тысяч транзисторов. В 1989 году Intel представила первые полупроводники, количество транзисторов на одном кристалле превысило миллион. Сегодня крупнейшие чипы содержат более 50 миллиардов транзисторов. Эта тенденция описывается так называемым законом Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается примерно каждые 18 месяцев.