Почему кремний стал основным материалом для чипов: объяснение

Многие знают, что сырьем для процессоров служат кремниевые пластины, которые делают из песка. Но, помимо CPU, кремний содержится в большинстве электронных устройств. Почему же именно он стал основным материалом для микросхем, и на что стоит обращать внимание при использовании такой техники? Давайте разберемся.

Выбор кремния в качестве ключевого материала для чипов обусловлен сочетанием его химических свойств и экономической целесообразности. Шутка о том, что процессор сделан из песка, как раз и отражает эту особенность.

Во-первых, кремний — это превосходный полупроводниковый материал. Главное свойство полупроводника — возможность управления его электропроводностью. Добавляя в чистый кремний небольшое количество примесей (например, фосфора или бора), можно изменить концентрацию электронов, создавая полупроводники N-типа или P-типа. Точно контролируя тип и количество примесей, инженеры создают транзисторы, диоды и другие базовые электронные компоненты, которые и являются основой для вычислительных и запоминающих функций чипа.

Во-вторых, запасы кремния огромны, что делает его дешевым. Кремний — второй по распространенности элемент в земной коре, он в изобилии содержится в песке и кварце. По сравнению с другими полупроводниковыми материалами, такими как германий, добыча и очистка кремния обходятся дешевле, что идеально подходит для массового промышленного производства.

Еще один важный фактор — способность кремния образовывать стабильный оксидный слой. При высокой температуре на поверхности кремния естественным образом формируется слой диоксида кремния. Этот оксид обладает хорошими изоляционными свойствами и стабильной структурой, что позволяет эффективно изолировать различные элементы схемы и предотвращать помехи. Диоксид кремния также может служить маской в фотолитографическом процессе, помогая переносить сложные схемы на подложку — это преимущество, которое трудно заменить другими материалами.

Кроме того, кремний обладает отличными механическими свойствами и термической стабильностью. Его высокая твердость позволяет выдерживать процессы резки и шлифовки при изготовлении чипов. Температура плавления кремния составляет 1414°C, что гарантирует стабильную работу в обычном диапазоне температур и обеспечивает надежность микросхем.

Кремниевые чипы повсеместно используются для вычислений, хранения данных, обработки графики и сигналов. Помимо всем известных CPU, GPU, чипов памяти и NAND-флеш в SSD, кремний является основным материалом для модемов в смартфонах, CMOS-сенсоров в камерах, сетевых чипов в роутерах и датчиков в умных часах.

Несмотря на стабильность, на работу кремниевых чипов и их срок службы могут влиять внешние факторы. Чтобы избежать проблем, важно предотвращать перегрев и минимизировать воздействие статического электричества.

Высокая температура увеличивает токи утечки в кремниевых транзисторах, снижает скорость работы и ускоряет старение внутренних цепей чипа. Именно поэтому компьютеры уходят в синий экран при перегреве, а смартфоны принудительно снижают производительность.

Размеры современных транзисторов достигли нанометрового уровня, и даже небольшой статический разряд может пробить транзистор или оксидный слой, навсегда выведя чип из строя. В повседневной жизни статическое электричество может накапливаться на теле или одежде. Поэтому при установке оперативной памяти или SSD важно сначала снять с себя статический заряд и избегать прикосновений к контактам или открытым частям схемы. Электронику также не стоит использовать и хранить в средах с высокой вероятностью возникновения статического электричества.

Интересный факт: Хотя кремний доминирует в микроэлектронике, ученые продолжают исследовать альтернативы, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), для силовой электроники и высокочастотных устройств. Также ведутся работы по созданию чипов на основе графена и других двумерных материалов, которые в будущем могут превзойти кремний по скорости и энергоэффективности.