Транзисторы: величайшее изобретение ХХ века

Опубликовано: 24/01/2021 Время на прочтение: 9 минут

Фото Кристофера Старка на Unsplash

«Я бы сказал, что железо — это кость головы, череп. Полупроводник — это мозг внутри головы. Программное обеспечение — это мудрость, а данные — это знания ».

— Масаеши Сон

D ID вы знаете , что пол-триллиона долларов промышленность использует пляж песок в качестве исходного ингредиента? — Тот самый песок, с которым играют дети, а взрослые лежат, чтобы поймать солнечные лучи.

В сегодняшней статье я расскажу вам, как этот простой ингредиент, известный как песок , входит в число сырых ингредиентов огромной отрасли с годовым доходом от продаж около 509 миллиардов долларов по состоянию на 2020 год.

Эта гигантская индустрия известна как полупроводниковая промышленность. Если вы не знакомы с термином «полупроводник», возможно, вы слышали термин «транзистор»? Если нет, то вы наверняка знаете, что такое «ЦП».

Я представлю изобретение и термины, а затем углублюсь и покажу, как сырой песок превращается в ЦП, то есть в «золото». Тот же самый процессор установлен внутри вашего компьютера или смартфона, позволяя задействовать все волшебные моменты на его экране.

Важнейшее изобретение 20 века

Фото Александра Синна на Unsplash

«Необходимость — мать изобретений» — Платон.

За каждым изобретением скрывается необходимость; В случае с транзисторами необходимость была очень острой.

Миру требовалось крошечное устройство, которое могло бы быстро переключаться между проводящим и изолирующим состоянием — и это требовалось для генерации потоков двоичных цифр 0/1, где 0 означает, что устройство изолирующее, то есть выводит 0, а 1 означает, что устройство проводит, т. е. выдает 1.

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа.

Представьте это таким образом.

Чтобы сгенерировать двоичное число, например, «101010», которое можно было бы преобразовать в конце его прохождения через ваше устройство в любой цвет, цифру или букву, которую вы видите на экране — необходим переключатель для вывода «1», затем «0», затем снова «1» и так далее, пока не будет полностью сгенерировано требуемое число «101010».

Как на помощь пришли полупроводники? Читай дальше что бы узнать.

Что такое полупроводник?

В то время как металлы являются отличными проводниками и будут постоянно проводить электричество, пластик, напротив, является изолятором и вообще не будет проводить электричество.

Полупроводник — это смесь (следовательно, это «полупроводник»); это может быть и то, и другое. А изменение некоторых его свойств превратит его из изолятора в проводник и наоборот.

Для большей ясности предположим, что мы используем кремний (полупроводник) для проведения электричества. Тогда по умолчанию он будет изолирующим; однако он становится проводником, когда мы добавляем к нему нужное количество тепла.

И это вкратце суперсила полупроводников.

Что такое транзистор?

Нагрев — не единственный способ превратить полупроводник в полноценный проводник.

Например, кремний можно легировать фосфором / бором, и легирование изменит его характеристики таким образом, что приложение небольшого напряжения в нужных местах превратит его из изолятора в проводник.

Позволь мне объяснить.

Существует два типа легирования: n-тип и p-тип, где n и p обозначают отрицательное и положительное; кроме того, взяв чистый кремний и введя фосфор в две зеленые области (см. рисунок ниже), мы создаем две n-легированные области, поскольку у фосфора есть один дополнительный электрон в своем атоме.

Точно так же, вводя бор в чистый кремний (см. Красную область на рисунке ниже), мы создаем p-легированную область, поскольку в атоме бора на один электрон меньше.

И, наконец, без приложения какого-либо напряжения к базе (см. Рисунок ниже) из-за обратного смещения, вызванного p − n-переходом, то есть границей между n-легированной и p-легированной областями, ток будет заблокирован, и транзистор будет действовать как изолятор.

Однако приложение положительного напряжения к базе приведет к прямому смещению, которое превращает транзистор в проводник.

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа.

23 декабря 1947 года транзистор был успешно продемонстрирован в Bell Laboratories в Мюррей-Хилл, Нью-Джерси.

Это величайшее изобретение 20 века. Этот крошечный немеханический электрический выключатель можно включать и выключать, просто подав на его основание небольшое напряжение. Он сверхбыстрый, крошечный и надежный.

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа.

Но как насчет превращения Песка в «Золото», вам может быть интересно!

Позвольте мне показать вам, как это делается.

Связанные термины

Полупроводниковые фабрики

Заводы по производству полупроводников (заводы по производству полупроводников — см. Рисунок ниже) — это огромные предприятия, требующие множества дорогих инструментов и устройств для завершения процесса изготовления микроэлектроники.

Грубо говоря, фабрика может стоить от 3 до 20 миллиардов долларов по состоянию на 2020 год.

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа. Получить это изображение на Picryl | Детали лицензии

Чистая комната

Центральная часть фабрики — это чистое помещение (см. Рисунок ниже). Чистые помещения обычно имеют очень высокий уровень чистоты, который определяется количеством частиц (например, пыли) на кубический метр.

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа.

FOUP

FOUP (Unified Pod с открытием передней панели) — FOUP может загружать до 25 пластин.

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа.

И наконец, давайте посмотрим на процесс.

От песка к «золоту»

Шаг # 1: сырой песок

Диоксид кремния — это природное соединение кремния и кислорода, которое в основном содержится в песке . Кроме того, это соединение является основным ингредиентом для производства полупроводников.

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа.

Шаг 2: слиток кремния

Песок превращается в поликремний с помощью сложного процесса восстановления и очистки, затем для соответствия стандартам производства полупроводников применяются химические и физические методы, чтобы превратить его в кристаллическую форму, то есть в очищенный монокристаллический слиток (чистота 99,9999999%, один чужеродный атом на каждый миллиард атомов кремния).

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа. Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа.

Шаг # 3: вафли

Затем слиток разрезают на круглые пластины (см. Рисунок ниже). Обычно размер одной пластины составляет 150/200/300 мм. Эти пластины станут подложкой, то есть платформой для разработки микрочипов.

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа.

Шаг 4: Изготовление

Процесс изготовления будет происходить внутри полупроводниковой фабрики; Транзисторы будут созданы как самый маленький блок управления в микрочипе.

Во время процесса FOUP, заполненные пластинами, автоматически проходят множество этапов, вводя инструмент за инструментом. И каждый инструмент будет следовать определенному рецепту.

По окончании процесса на поверхности пластины будет скапливаться множество узорчатых слоев из различных материалов.

Вот некоторые из шагов, выполняемых в процессе изготовления:

Полировка : поверхность пластины окисляется при температуре 1000 градусов для образования непроводящего слоя.

Фоторезист : материал фоторезиста (светочувствительный материал) равномерно распределяется по поверхности пластины за счет центробежной силы.

Фотошаблон : маска используется для фильтрации УФ-света, проецируемого на поверхность пластины, чтобы свету подвергались только те места, которые предполагается протравить (удалить).

Травление : травление (удаление) открытых участков.

Допинг : легирование n-типа или p-типа с использованием процесса ионной имплантации стрелять атомами в определенные области.

Металлические слои : металлические слои создаются для соединения затворов транзисторов с целью развития ожидаемой двоичной логики, то есть функциональности.

Процесс изготовления повторяется много раз.

Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа. Из Wikimedia Commons, бесплатного хранилища мультимедиа.

Шаг № 5: Микрочипы («Золото»)

После того, как микрочипы полностью изготовлены, пластину можно наконец нарезать небольшими прямоугольными ломтиками. Каждый срез — это, по сути, микрочип, который будет интегрирован в ЦП, память и т. Д.

Наконец, продукт будет упакован и готов к отправке покупателям.

Фото Лауры Окель на Unsplash Фото Мики Баумейстера на Unsplash

Вывод

Грубо говоря, 10-нанометровые транзисторы в 10 000 раз тоньше человеческого волоса. Министерство энергетики США недавно создало самый маленький в мире транзистор с рабочим затвором в один нанометр, что примерно в 50 000 раз тоньше человеческого волоса.

Благодаря этому огромному прогрессу с 1947 года в сочетании с другими революциями в области искусственного интеллекта, машинного обучения и робототехники, небо становится ближе 🙂

Эта статья является первой в серии из трех статей:

⚫ Транзисторы: величайшее изобретение ХХ века.

⚫ Транзисторы: двоичный язык.

⚫ Транзисторы: вместе путешествуем во времени.


Метки:


прокрутка вверх