Olá a todos, este é um artigo de ciência popular sobre a matéria-prima mais básica no campo dos chips, a “barra de silício monocristalino”. Este é um bastão mágico!
Antes de começarmos, deixem-me dizer algo mais brevemente. Alguns leitores podem achar que o título deste artigo tem um prefixo adicional “O Mundo das Fichas”.
As fichas têm um significado especial para o nosso país e são o maior estrangulamento no domínio da ciência e tecnologia do nosso país. Esta pastilha também tortura o coração de inúmeros leitores. Toda a gente está ansiosa por um avanço na tecnologia de pastilhas do meu país, ansiosa pelo nascimento de máquinas de litografia de 5 nm, ansiosa por que a Huawei se levante e ruja contra os Estados Unidos, ansiosa por que a nossa própria lista de entidades seja preenchida com empresas americanas...
O progresso tecnológico leva tempo. Para que os leitores que não conhecem os chips possam saber mais sobre eles durante a longa espera e para que possam digerir melhor várias informações relacionadas com os chips, tenciono escrever mais alguns artigos sobre chips. Os artigos esforçar-se-ão por formar uma série. Se estiver interessado nos meus artigos, siga-me!
O conteúdo do artigo centrar-se-á na conceção e produção de pastilhas. A conceção de pastilhas inclui conhecimentos básicos, ferramentas de conceção, conjuntos de instruções e arquitetura, conceção de produtos de pastilhas, etc.; a produção de pastilhas inclui matérias-primas, equipamento de fabrico, produção, embalagem e ensaio, etc. Depois de ler este artigo, irá descobrir que as máquinas de fotolitografia são apenas uma gota no oceano da indústria de circuitos integrados, e que o mundo dos circuitos integrados é realmente enorme!
O conteúdo do artigo esforça-se por ser compreensível para os estudantes de artes liberais. Durante a leitura, todos devem sentir vontade de aplaudir a indústria de chips do meu país!
Vamos passar ao texto principal. Obrigado a todos pela vossa paciência!
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O silício é o terceiro elemento mais abundante na Terra.
O primeiro é o ferro, que representa cerca de 32%. O interior da Terra é basicamente um grande núcleo de ferro quente;
O segundo é o oxigénio, que representa cerca de 30%. Existe principalmente na crosta terrestre e no ar e é a base de vários compostos.
O silício, que representa cerca de 15%, encontra-se principalmente na crosta terrestre e é amplamente encontrado em minerais, rochas e areia sob a forma de compostos como a sílica e vários silicatos.
Devemos recordar um cientista, o químico sueco Jons Jakob Berzelius, que descobriu o silício como elemento em 1823.
Há algumas coisas interessantes sobre o silício, aqui estão duas:
Antigamente, o silício era designado por silicon (xi sounds), uma transliteração do inglês Silicon. Devido ao facto de ser facilmente confundido com outros elementos químicos “estanho” e “selénio” com a mesma pronúncia, o nosso continente alterou-o para silício em 1953. Hong Kong, Macau e Taiwan também utilizam a palavra “Si”, como “Si Valley” (Vale do Silício), por isso não pense que é um erro de digitação quando vir Silicon Valley.
O silício e o carbono são elementos da mesma família. O teor de silício na Terra é de 15%, enquanto o carbono pertence a outros e, juntamente com 109 outros elementos, representa apenas 1,2%. No entanto, a vida na Terra é baseada no carbono, o que não faz sentido em termos de probabilidade. Por isso, algumas pessoas acreditam que a vida na Terra teve origem em planetas extraterrestres, o que significa que nós, humanos, somos colonizadores da Terra. Isto não soa a ficção científica? Claro que há mais cientistas que acreditam que o carbono é mais ativo do que o silício e pode facilmente formar matéria orgânica macromolecular com outros elementos, pelo que as opiniões dos extraterrestres são apenas para entretenimento de todos. Há também alguns cientistas que acreditam firmemente que existem de facto formas de vida baseadas em silício no universo, do tipo que não precisa de respirar oxigénio.
O silício tem muitas utilizações e é um elemento sem o qual as pessoas modernas não podem viver. Silício industrial para fundição, silício orgânico para a indústria química, silício policristalino para energia fotovoltaica, pó de silício para betão comercial (tong ersheng) e silício monocristalino para chips. Pode dizer-se que o silício pode ser utilizado na sala e na cozinha!
Propriedades semicondutoras do silício
No que diz respeito ao conhecimento teórico da razão pela qual os chips devem utilizar semicondutores, deixá-lo-emos para um artigo posterior. Aqui vamos popularizar as caraterísticas semicondutoras do silício.
A descoberta das propriedades semicondutoras do silício foi um processo tortuoso. Após a descoberta do elemento silício, a compreensão que as pessoas tinham do silício era muito confusa. O silício é um metal ou um isolante? Na altura, as pessoas tinham uma compreensão relativamente simples e acreditavam que o metal era um condutor e, se não fosse um metal, deveria ser um isolador. Este debate durou mais de 100 anos e, finalmente, descobriu-se que o silício não é nem um metal nem um isolante, mas sim um semicondutor!
As propriedades semicondutoras do silício, em termos académicos, devem-se ao facto de os átomos de silício, quando formam cristais, terem três bandas de energia: banda de condução, banda proibida e banda de valência. Se houver electrões na banda de condução, estes podem mover-se e conduzir eletricidade. Infelizmente, os electrões estão normalmente na banda de valência, separados da banda de condução por uma banda proibida. No entanto, sob certas condições, como a tensão, a corrente, a luz, o calor e outros factores, os electrões saltam sobre a banda proibida e saltam para a banda de condução, podendo assim conduzir eletricidade.
Se algum leitor ainda não estiver esclarecido, permitam-me que vos dê outro exemplo vivo:
A faixa de preço do cristal de silício é equivalente à nacional de um país, a faixa proibida é equivalente à alfândega e a faixa condutora é equivalente a um voo para o estrangeiro. Os produtos electrónicos são nacionais. Normalmente, não se pode ir para o estrangeiro sem passaporte e visto. A alfândega impede-o. Mas depois de obter o passaporte e o visto, pode passar pela alfândega e apanhar o seu voo para o estrangeiro sem qualquer problema. Os passaportes e os vistos são equivalentes à tensão, à corrente, à luz e ao calor.
A propósito, os electrões do condutor são equivalentes às pessoas com green cards estrangeiros, que podem ir para o estrangeiro à vontade. Os electrões do isolador são equivalentes aos do sistema, cujos passaportes são recolhidos pela organização e não podem ir a lado nenhum.
De facto, as propriedades semicondutoras do silício puro não são práticas, porque o seu intervalo de elasticidade é estranho:
Para aplicações de baixa tensão, como os chips, o seu bandgap é demasiado largo, o que significa que os procedimentos aduaneiros são demasiado pesados. Por conseguinte, em aplicações práticas, devem ser adicionados outros elementos para ajustar a banda proibida, geralmente boro e fósforo, para formar uma banda de energia de impureza entre a banda proibida e a banda de condução, o que equivale a simplificar os procedimentos aduaneiros e a proporcionar um desalfandegamento único.
Para as aplicações de alta tensão, como os dispositivos de alta potência, a banda proibida é demasiado estreita, o que equivale a uma fiscalização aduaneira pouco rigorosa. Uma vez que haja uma violação, esta será imparável. Por conseguinte, é necessário um intervalo de banda mais largo, e surgiram os semicondutores de terceira geração, o carboneto de silício e o arsenieto de gálio. Os meus outros artigos mencionaram os semicondutores de terceira geração.
Este artigo aborda principalmente os chips de baixa tensão para computadores e telemóveis, pelo que é necessário adicionar impurezas ao silício puro. Para adicionar impurezas, é necessário primeiro ter silício monocristalino puro. De seguida, vamos falar sobre a produção de silício monocristalino.
Leitores que conseguem ler isto, admiro-vos, por favor, venham!
Vareta de silício monocristalino
Vareta de silício monocristalino
O bastão da imagem acima é o nosso protagonista de hoje - o bastão de silício monocristalino.
O silício é a substância mais pura que o ser humano pode extrair até à data. A pureza mais elevada pode atingir 99,9999999999999999%. Não é preciso contar, são 16 noves no total! É mesmo como um sonho! Pode dizer-se que o silício puro representa a pureza do amor melhor do que os diamantes!
A pureza do silício é geralmente representada por N, N
