Pourquoi utilise-t-on du silicium pour fabriquer des micropuces?

Dans ma quête pour mieux comprendre comment les ordinateurs fonctionnent en profondeur, je me suis demandé pourquoi, exactement, le silicium est utilisé dans les micropuces. J'ai toujours supposé, naïvement, que le silicium avait une résistance électrique très élevée et qu'il constituait donc un bon matériau pour prendre en sandwich d'autres matériaux à faible résistance électrique (par exemple l'or). Et que c'était ainsi que les puces étaient fabriquées.

Après avoir fait des recherches, je constate que j'avais tort et que le silicium est un «semi-conducteur». Pour rester bref, je vais simplement avancer et dire simplement que je ne comprends pas ce qu'est un semi-conducteur et pourquoi il est bon pour faire des micropuces. J'ai vu plusieurs explications et elles m'ont confondu, ou les explications se sont complètement contredites, mais l'essentiel est qu'un semi-conducteur se situe quelque part entre un conducteur et un isolant. Pourquoi est-ce utile pour fabriquer des circuits intégrés?

integrated-circuit chip-design

— Cole Rowland
source

Un semi-conducteur est un matériau dont le comportement électrique peut être modifié par les impuretés qui y sont ajoutées (dopage), et peut être utilisé pour fabriquer des éléments de circuit avec des résistances variables, des comportements de seuil de tension, etc., en fonction de facteurs d'influence tels que les facteurs électriques et magnétiques appliqués des champs. Le silicium est bon marché, omniprésent (sable commun) et pratique, mais le germanium et d'autres matériaux semi-conducteurs sont également utilisés là où cela est nécessaire.

— Anindo Ghosh

Donc, essentiellement, le fabricant utilise ces impuretés pour créer des voies où le courant électrique peut voyager? Est-ce exact?

— Cole Rowland

Pas des voies: ce serait plus comme un PCB, avec du cuivre comme voies. Le comportement réel des matériaux est modifié, par exemple l'augmentation du courant à travers une jonction base-émetteur et le courant à travers la jonction collecteur-émetteur augmente, dans un transistor à jonction bipolaire, par exemple, si le silicium de chaque côté des jonctions est convenablement "dopé".

— Anindo Ghosh

Désolé, "voies" n'est peut-être pas le bon mot. Je voulais dire qu'en ajoutant différentes impuretés, vous pouvez ajuster les propriétés chimiques du silicium, contrôlant ainsi la façon dont le courant électrique «circule» à travers la puce. Est-ce exact?

— Cole Rowland

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— bhillam

Réponses:

N'importe lequel d'un certain nombre de matériaux semi-conducteurs peut être et est utilisé, en effet le premier transistor était en fait un transistor en germanium (Ge). la vraie raison pour laquelle Si est si dominant se résume à 4 raisons principales (mais # 1 est la raison principale):

1) Il forme un oxyde de très haute qualité, scelle la surface avec très peu de trous d'épingle ou d'écarts. - cela permet de créer plus facilement un MOSFET à intervalle car le SiO ₂ forme la couche isolante de la porte, - SiO ₂ a été appelé l'ami des concepteurs de puces.

2) Il forme un nitrure très résistant, le nitrure de silicium Si ₃ N ₄ forme un isolant à bande interdite très élevée qui est imperméable. - ceci est utilisé pour passiver (sceller) la matrice. - ceci également utilisé pour fabriquer des masques durs et dans d'autres étapes du processus

3) Si a une très belle bande interdite de ~ 1,12 eV, pas trop élevée pour que la température ambiante ne puisse pas l'ioniser, et pas si basse qu'elle ait un courant de fuite élevé.

4) il forme un matériau de porte très agréable. La plupart des FET modernes utilisés dans le VLSI (jusqu'aux dernières générations) ont été appelés MOSFET mais en réalité, ils ont utilisé Si comme matériau de grille. Il s'avère qu'il est très facile de déposer du Si non cristallin sur des surfaces et qu'il est facilement gravé avec une grande précision.

Fondamentalement, le succès de Si est le succès du MOSFET, qui, avec la mise à l'échelle et l'intégration extrême, a conduit l'industrie. Les Mosfet ne sont pas si facilement fabriqués dans d'autres systèmes de matériaux, et vous ne pouvez pas conduire le même niveau d'intégration dans d'autres semi-conducteurs.

GeO ₂ - est partiellement soluble

GaAs - ne forme pas d'oxyde

CO ₂ - est un gaz

Les semi-conducteurs sont utilisés car avec une contamination sélective (appelée dopants), vous pouvez contrôler les propriétés du matériau et adapter son fonctionnement et ses mécanismes opérationnels.

— espace réservé
source

en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_device_fabrication

— sheetansh

C'est une excellente réponse.

— Rocketmagnet

+1 mais je pense également que la haute disponibilité et le faible coût du matériel sont une autre bonne raison.

— kenny

Le silicium était déjà le matériau semi-conducteur dominant avant que les FET ne soient couramment utilisés.

— Olin Lathrop

Un autre avantage du silicium par rapport aux alternatives (comme le GaAs, qui était le "semi-conducteur du futur" pendant de nombreuses années) est la robustesse physique. D'après ce qu'on m'a dit, si vous fabriquiez une plaquette de 200 mm de GaAs, elle serait susceptible de se briser si vous la regardiez simplement de manière drôle. ), ce qui rend le GaAs beaucoup plus économique que le Si.

— Le Photon

Pour esquisser les raisons pour lesquelles un semi-conducteur est bon pour créer des circuits, commencez par comprendre qu'il se situe entre un conducteur et un isolant, et ajoutez le fait que les impuretés (dopants) et d'autres traitements (couches d'oxyde) peuvent modifier son comportement pour en faire des parties de il conduit mieux et d'autres parties conduisent moins bien. Ajoutez au fait que les charges électriques s'attirent ou se repoussent (les opposés s'attirent, comme les charges se repoussent).

Imaginez maintenant un canal où les électrons peuvent circuler, isolés d'une couche conductrice à proximité, sur laquelle vous contrôlez la tension. Rendez cette couche négative et son champ électrique repousse les électrons dans le canal - même à travers l'isolant - les empêchant d'entrer dans le canal. Rendez-le positif et il attire les électrons dans le canal de la borne -ve, où ils peuvent le traverser vers la borne + ve. Vous pouvez donc contrôler le flux de courant avec la tension sur la couche isolée.

Il s'agit d'un transistor à effet de champ ou FET. - la couche isolée est appelée grille; la borne -ve est appelée la source et la borne + ve est le drain.

Lorsque les électrons circulent dans le canal, il est appelé FET à canal N (N pour négatif)

Il existe d'autres appareils que vous pouvez construire sur un semi-conducteur, avec une meilleure compréhension, mais j'espère que cela suffit pour montrer le principe de base.

Quant à savoir pourquoi le silicium? Parmi peut-être une douzaine de matériaux semi-conducteurs possibles, il est particulièrement pratique et fiable, tout en étant presque aussi bon marché que le sable (qui est principalement du dioxyde de silicium)

— Brian Drummond
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