Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, soi)
Еще одна технология, позволяющая достаточно безболезненно повысить скорость чипов, не требуя от производителей отказаться от всех их сегодняшних наработок. Как и технология медных соединений, SOI позволяет создателям чипов убить двух зайцев одним выстрелом — поднять скорость, до 25 процентов, одновременно снизив энергопотребление. Что из себя представляет эта технология? Вспомним начало обработки кремниевой пластины — она покрывается тонкой пленкой окисла кремния. А в SOI к этому бутерброду добавляется еще один элемент — сверху опять наносится тонкий слой кремния:
Вот и получается — кремний на изоляторе. Зачем это понадобилось? Чтобы уменьшить емкость. В идеале МОП транзистор должен выключаться, как только будет исчезнет питание с затвора (или наоборот, появится, в случае с КМОП). Но наш мир далеко не идеален, это справедливо и в данном конкретном случае. На время срабатывания транзистора напрямую влияет емкость области между между измененными участками кремния, через которую и идет ток при включении транзистора. Он начинает и заканчивает идти не мгновенно, а только после, соответственно, зарядки и разрядки этой промежуточной зоны. Понятно, что чем меньше это время, тем быстрее работает транзистор, можно сказать, что тем меньше его инерция. Для того и придумана SOI — при наличии между измененными участками и основной массой кремния тонкой пластинки изолирующего вещества (окисел кремния, стекло, и т.д.), этот вопрос снимается, и транзистор начинает работать заметно быстрее.
Основная сложность в данном случае, как и в случае с медными соединениями, заключается в разных физических свойствах вещества. Кремний, используемый в подложке — кристалл, пленка окислов — нет, и закрепить на ее поверхности, или же не поверхности другого изолятора еще один слой кристаллического кремния весьма трудно. Вот как раз проблема создания идеального слоя и заняла весьма много времени. Не так давно IBM уже продемонстрировала процессоры PowerPC и чипы SRAM, созданные с использованием этой технологии, просигнализировав этим о том, что SOI подошла к стадии возможности коммерческого применения. Совсем недавно, IBM объявила о том, что она достигла возможности сочетать SOI и медные соединения на одном чипе, пользуясь плюсами обеих технологий. Тем не менее, пока что никто кроме нее не заявил публично о намерении использовать эту технологию при производстве чипов, хотя о чем-то подобном речь идет.
Перовскиты
Поиски замены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут давно, учитывая, что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в последнее время — при постоянном увеличении плотности транзисторов на чипе необходимо уменьшать толщину его изолирующего слоя, а этому есть предел, поставленный его электрическими свойствами, который уже довольно близок. Однако пока, несмотря на все попытки, SiO2 по прежнему находится на своем месте. В свое время IBM, предполагала использовать в этой роли полиамид, теперь пришла очередь Motorola выступить со своим вариантом — перовскиты.
Этот класс минералов в природе встречается довольно редко — Танзания, Бразилия и Канада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы перовскитов отличаются очень высокими диэлектрическими свойствами: использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру диоксид кремния более чем на порядок. А это позволяет в три-четыре раза снизить толщину транзисторов по сравнению с использованием традиционного подхода. Что, в свою очередь, позволяет значительно снизить ток утечки, давая возможность заметно увеличить плотность транзисторов на чипе, одновременно сильно уменьшая его энергопотребление.
Пока что эта технология находится в достаточно ранней стадии разработки, однако Motorola уже продемонстрировала возможность нанесения пленки перовскитов на поверхность стандартной 20 см кремниевой пластины, а также рабочий КМОП транзистор, созданный на базе этой технологии.
Применение кремния в электротехнике
В настоящее время во всём мире производится порядка 15 тыс. тонн кремния ежегодно (Япония, США, Германия). Кремний является основным материалом твёрдотельной электроники. Это базовый материал микроэлектроники, который потребляет 80% полупроводникового кремния. Кремний составляет 70% от всех потребляемых микроэлектроникой материалов. Тем не менее, заметную долю в общем объёме выпуска полупроводниковых изделий составляет кремниевые дискретные приборы – это выпрямительные, импульсные, СВЧ диоды, биполярные, полевые транзисторы. И в отличии от германия, рабочая температура кремния в электронных компонентах лежит в диапазоне от -60 до +200 o C, это сыграло огромную роль в его применении, т.к. большинство современных процессоров работают на температурах до 100 o C. Монокристаллический кремний является основным материалом и для изготовления приборов силовой электроники – это мощные диоды, тиристоры, транзисторы, интегральные схемы. Они применяются при передаче электроэнергии на большие расстояния, в энергоёмких производствах, например, в металлургическом и химическом, в системах электропитания. Кремний широко применяется для производства фоточувствительных приборов, фотодиодов им фототранзисторов, разнообразных сенсорных устройств, прецизионных микромеханических систем. Важную роль кремний играет в быстроразвивающейся солнечной энергетике. Более 90% всех солнечных элементов изготавливаются из кристаллического кремния. Перспективным направлением является кремниевая оптоэлектроника. Здесь прежде всего следует отметить светоизлучающие приборы и фотодетекторы, интегрирование в кремниевую технологию.
Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов, и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.
Заключение.
Несомненно, полупроводники стали неотъемлемой частью современной электроники. 80% всех электронных компонентов содержат полупроводники. Кремний стал незаменимым химическим элементом, благодаря своей распространенности. А современные технологии позволяют добывать и очищать кремний с минимальными затратами, из-за чего он стал еще и очень дешев в производстве. Ни одно современное производство не обходится без микропроцессорных систем управления, без компьютеров, и электроники в целом. Увидев всю важность этого химического элемента, можно без преувеличения сказать, что кремний, жизненно необходим для современного развивающегося мира.
Кремний. Полупроводники в электронике
Общее применение
Кремний находит широкое применение в микроэлектронике.
Сильноточные кремниевые электронные устройства успешно
используются для передачи электроэнергии на большие
расстояния с минимальными потерями, в энергоемких
металлургических и химических производствах, на транспорте, в
системах электропривода и электропитания. В солнечной
энергетике используются солнечные батареи на основе кремния.
Суммарная мощность электроэнергии, вырабатываемой
кремниевыми солнечными батареями, превысила уровень тысячи
мегаватт. В оптоэлектронике кремний используется в
разнообразных сенсорных устройствах и прецизионных
микромеханических системах.
3.
Добыча кремния
Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом, по распространённости в
земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л.
Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма — соединений на основе диоксида кремния. Основные минералы и
горные породы, образуемые диоксидом кремния, — это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень, полевые шпаты.
Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.
4.
Свойства кремния | Физические
Кристаллический кремний — темно-серое, блестящее кристаллическое вещество, хрупкое и
очень твердое, кристаллизуется в решетке алмаза.
Кристаллическая решётка кремния — кубическая гранецентрированная,типа алмаза.Кремний
хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Он
прозрачен для инфракрасного излучения начиная с длины волны 1,1 мкм.
5.
Свойства кремния | Химические
При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с
газообразным фтором также при нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний
реагирует с хлором, бромом и иодом.
6.
Свойства кремния | Химические
При нормальных условиях кремний химически малоактивен и активно реагирует только с
газообразным фтором также при нагревании до температуры свыше 400—500 °C кремний
реагирует с хлором, бромом и иодом.
7.
Получение кремния
Кремний получают восстановлением Si02 с помощью углерода в
электрической печи. На этой стадии кремний имеет степень чистоты
~98% и не может быть использован для изготовления
полупроводниковых интегральных микросхем.
Для получения чистого кремния используют методы зонной очистки и
бестигельной плавки.
Кремний — как полупроводник
Полупроводники содержат 12 химических
элементов, находящиеся в середине таблицы
Менделеева.
Это: бор (B), углерод (C), кремний (Si), германий
(Ge), олово (Sn), фосфор (P), мышьяк (As),
сурьма (Sb), сера (S), селен ( Se).), телмур (Te),
йод (I).
6.
Чем объясняется
электропроводность кремния?
I. Кремний характеризуется макромолекулярной
структурой, в которой атом кремния является
четырехвалетным.
II. В макромолекуле кремния свободный электрон
покидает свою квантовую ячейку и высвобождает их.
То есть появляются «дыры».
III. Эти свободные электроны движутся в макромолекуле,
проводя электричество.
IV.Этот порядок кремния позволяет классифицировать его
как металлоид.
V. Степень окисления кремния +4. Это означает, что его
можно отнести к металлам, но кремний часто имеет
неметаллические свойства.
7.
Полупроводник
Собственный
(т.е. без примесей)
Электронный
Дырочный
Смешанный
Донорный
Акцепторный
8.
9.
10.
11.
12.
13.
При низких температурах чистые полупроводники не
проводят электричество, потому что они не содержат
пустых заряженных частиц. Кремний и германий имеют
4 электрона на внешней оболочке. В кристалле каждого
электрона каждый электрон образует ковалентную связь
с соседними атомами. Эти электроны участвуют в
тепловом движении, но остаются на месте.
14.
15.
Первым полупроводниковым материалом, использованным в
технике, был селен. В настоящее время наиболее часто
используемые материалы — это кремний, германий и селен. Эти
вещества относятся к элементарным полупроводникам, то есть
полупроводникам, которые принадлежат элементу периодической
таблицы Менделеева.
16.
17.
Наиболее широко используемые полупроводники — это Ge и Si
При каждой заданной температуре существует динамическое равновесие
между «электрон-дырой» (генерацией) образованием пары и их устранением
(рекомбинацией).
18.
19.
20.
Собственная электропроводимость
Проводник n-типа «negativ»
(отрицательный) в
соответствии первой буквы от
латинского слово
Проводник p-типа «positiv»
(положительный) в
соответствии первой буквы от
латинского слово
21.
Если вместо атома полупроводника поместить во внешнюю электронную
оболочку еще один электрон, то этот электрон не участвует в межатомной
связи в кристалле и плохо связывается со своим собственным атомом. Этот
электрон высвобождается из своего атома с низкой энергией и становится
свободным электроном. Такие примеси называют донорными, то есть
электронодонорными примесями.
22.
Когда атом полупроводника заменяется смесью, в которой количество электронов на
внешней электронной оболочке меньше, чем электронов основного атома, возникает
нехватка электронов в связях, т.е. в этом случае появляются дырки. Электрон от соседнего
атома может войти в это пространство и свободно перемещаться по этим дыркам.
Движение по дыркам — это перенос электронов от одной связи к другой. Такие примеси
называются электроноакцепторными примесями.
23.
24.
Особенности полупроводников
Электропроводность
полупроводников
при обычных температурах ниже, чем у
металлов. При очень низких температурах
они
выглядят
как
диэлектрики.
Электропроводность
полупроводника
сильно
меняется
под
влиянием
температуры и света, т.е. чем выше
температура и ярче полупроводник, тем
выше его электропроводность.
25.
Вопросы
1. Как называется устройство, преобразующее свет в
электричество?
2. Как его другое название?
3. А как насчет эффективности солнечных батареек?
4. Как называется материал, у которого электрическая
проводимость находится между проводником и
изолятором?
5. Почему полупроводники — основа современной
электроники?