רבים מהמכשירים האלקטרוניים היומיומיים שלנו מסתמכים על טרנזיסטורים בדרך זו או אחרת. טרנזיסטורים הם רכיבים אלקטרוניים המשמשים לשליטה בזרימת הזרם העובר דרך מכשיר. הם פועלים כמתגים מבוקרים אלקטרונית המפעילים ומכבים, ומספקים אותות בינאריים שמכשירים יכולים להשתמש בהם כדי לעבד נתונים.
כפי שאתה יכול לדמיין, טרנזיסטורים נמצאים כמעט בכל מכשיר אלקטרוני שאתה משתמש בו מדי יום. ניתן לייצר טרנזיסטורים על בסיס מספר חומרי גלם. עם זאת, יצרנים מעדיפים להשתמש בסיליקון על פני כל חומר אחר. הנה שלוש סיבות לכך.
1. סיליקון זה לא יקר
הסיליקון הוא היסוד השני בשכיחותו בקרום כדור הארץ אחרי חמצן. למרות שסיליקון טהור הוא נדיר, חומרים כמו סיליקה (SiO2) זמינים בקלות בנוף רגיל בחוף הים או בסביבות חוליות אחרות.
בדרך כלל אתה יכול לזהות את הסיליקה על החוף כגרגרים המבריקים הנוצצים כאשר אתה מטפל בחול ביום שמש.
החוף, לעומת זאת, אינו מקום טוב למקור סיליקון. בחול חוף יש יותר מדי זיהומים שהיחס בין סיליקה וחומרים אחרים אינו אידיאלי. היצרנים יקנו מספקי סיליקון או יחצבו את החומרים בעצמם במקומות שבהם ריכוזי הסיליקה צפופים.
בהשוואה לחומרים מטאלואידים אחרים, לסיליקון יש דרך הרבה יותר קלה וישירה לטיהור. מכיוון שסיליקה היא רק סיליקון וחמצן משולבים, כל מה שאתה צריך לעשות הוא להסיר את חלקיקי החמצן, ונשאר לך סיליקון טהור.
התהליך הוא הכנסת פחמן עם הסיליקה על תנור שחומם עד 3,632 מעלות פרנהייט (2,000 מעלות צלזיוס). האנרגיה מהחום תפרק את הסיליקון והחמצן. בהתבסס על מבנים אטומיים, החמצן נוטה יותר להיקשר עם פחמן, ולהשאיר סיליקון מרוכז מאוד בתהליך.
2. סיליקון משמש לייצור MOSFET המשמשים בעיבוד שבבים
MOSFETs (מטאל-אוקסיד-סיליקון-שדה-אפקט-טרנזיסטור) הם הסוג האידיאלי של טרנזיסטור לייצור מעבדים וזיכרון כגון מעבדים, זיכרון RAM, SSD וכונני הבזק. כפי שהשם מרמז, MOSFETs עשויים מסיליקון. ישנן מספר איכויות של MOSFETS שהופכות אותם לרכיבים האידיאליים לייצור שבבי עיבוד. אלה יכללו:
- יעילות חשמל. בניגוד לטרנזיסטורים אחרים, MOSFETS נשלטים על ידי מתח ולא זרם. עם מתח השולט על השער ורק כמויות מזעריות של זרם העוברות דרך הטרנזיסטור, פחות אנרגיה נצרכת.
- מיתוג בתדר גבוה. שימוש בזרם מינימלי בלבד כדי להפעיל ולכבות את ה-MOSFET הופך את סוגי הטרנזיסטורים הללו לאידיאליים עבור יישומים בתדר גבוה כגון מעבדים.
- הפרעות אלקטרומגנטיות נמוכות. זרמים נמוכים מונעים מ-MOSFETS לייצר הפרעות אלקטרומגנטיות שעלולות להשפיע על רכיבים אחרים לצדו. מבלי לדאוג להפרעות אלקטרומגנטיות, המהנדסים הצליחו לארוז אותם בפורמטים כה צפופים.
- בידוד טבעי. לסיליקון יש תכונות שהופכות בידוד טבעי. סיבה נוספת שניתן לארוז את MOSFET בצפיפות היא באמצעות הבידוד המתרחש באופן טבעי.
- תרמיות נהדרות. זרמים גבוהים מחממים את המוליכים. מכיוון שמכשירי MOSFET אינם משתמשים בהרבה זרם, הם לא מתחממים באותה מידה - אלא אם כן אתה עושה להם אוברclock, כמובן.
- ניתן ל-Overclock. ריצה בחום נמוך פירושה גם שניתן לחנוק את ה-MOSFETS המשמשים כמתגים הרבה יותר בהשוואה לסוגים אחרים של טרנזיסטורים.
עם היתרונות והיישומים הרבים שלו, MOSFETS הם הטרנזיסטור המועדף בעת ייצור רכיבי שבבים אלקטרוניים, אך מדוע להשתמש בסיליקון לייצור טרנזיסטורי אפקט שדה מלכתחילה? למה לא אלמנטים אחרים?
בעת יצירת טרנזיסטורים, היצרנים צריכים להשתמש באלמנט בעל תכונות מוליכות למחצה כגון סיליקון. מוליכים למחצה הם מטאלואידים שאינם מוליך ואינם מבודד. הם עדיין מאפשרים לזרם לזרום דרכם, פשוט בצורה מאוד לא יעילה.
סיליקון טהור הוא באופן טבעי מוליך רע. עם זאת, על ידי הוספת זיהומים כמו בורון וזרחן, מהנדסים הצליחו לשנות את תכונות המוליכות של מוליכים למחצה, המאפשרים לטרנזיסטורים לעבור ממוליך למבודד כאשר מתח מוכנס, בדומה ל החלף.
קָשׁוּר: מה הופך את שבבי האייפון של אפל לכל כך מיוחדים?
3. תהליך ייצור קל
למרות שלמוליכים למחצה אחרים יש תכונות שיכולות ליצור טרנזיסטורי אפקט שדה טובים יותר, סיליקון הוא עדיין החומר המועדף בשל קלות הייצור שלו. משמעות הדבר היא פחות מורכבות אשר מתורגמת לפחות כסף שהוצא על כלי עבודה מיוחדים ועיבוד נוסף.
אחת הסיבות העיקריות לכך שקל יותר לעבוד עם סיליקון היא בגלל נקודת ההתכה הגבוהה שלו. נקודת ההיתוך של סיליקון היא 2,570 מעלות פרנהייט (1,410 מעלות צלזיוס). חומר בעל נקודת התכה גבוהה חיוני לייצור שבבים, במיוחד אם הם מיישמים gate-last ייצור, המציג שער דמה המשמש כמציין מיקום לייצור תבנית היכן שהשער הפעיל בפועל יהיה מוּתקָן.
תכונה נוספת שגורמת לסיליקון להיות קלה יותר לייצור היא תכונת הבידוד שלו באופן טבעי. כאשר חמצן מוכנס לשכבות הסיליקון העליונות, הן יוצרות שכבה של מתכת-אוקסיד-סיליקון (זכוכית). זכוכית היא מבודד מצוין גם בשכבות דקות, המאפשר ליצרנים לקבל בידוד חינם, וחוסך להם המון עלויות וזמן ייצור.
מלבד היותו זול, ייצור הסיליקון הוא גם הרבה יותר משמעותי מכל ייצור מוליכים למחצה אחר בשוק. עם סיליקון זמין, היצרנים לא צריכים לדאוג שיגמר להם חומרי הגלם לעבוד איתם, שוב חוסכים זמן ומייצרים יותר שבבים, מה שמתורגם ליותר רווח.
קָשׁוּר: מהי מערכת על שבב (SoC)?
הסיליקון נמצא בכל מקום
סיליקון הוא המוליך למחצה האולטימטיבי שאיפשר לעולמנו לשגשג ולהיות הכוכב הטכנולוגי שהוא היום. היא אחראית להפוך טכנולוגיה מסוימת לאפשרית והיא גם הסיבה לכך שרוב העולם מסוגל ליהנות מטכנולוגיה.
למרות שלסיליקון יש יתרונות ייצור רבים שהופכים את תעשיית הטכנולוגיה לרווחית יותר, גם אתה, הצרכן, מרוויח מייצור סיליקון. מכשירים אלקטרוניים כגון סמארטפונים, מחשבים, קונסולות משחקים, טלוויזיות, מצלמות CMOS ועוד כל שאר המכשירים החכמים נעשים סבירים בשל העלות הנמוכה של חומרי הגלם וקל יותר ייצור.
סיליקון הוא חלק כל כך גדול מחיינו, שלמרבה האירוניה, סיליקון (סיליקון לא טהור) צריך להיות חציבה מסביבות חוליות, בעוד שסיליקון טהור ניתן למצוא מפוזר בכל ביתנו.
חוק מור הכתיב את קצב ההתפתחות הטכנולוגית במשך עשרות שנים. אבל מה קורה כאשר מגיעים לגבולות הפיזיים שלו?
קרא הבא
- טכנולוגיה מוסברת
- זיכרון מחשב
- מעבד
בהשתוקקות ללמוד איך הדברים עובדים, ג'יריק מאנינג התחיל להתעסק עם כל מיני מכשירים אלקטרוניים ואנלוגיים במהלך שנות העשרה המוקדמות שלו. הוא למד מדע משפטי באוניברסיטת בגויו, לשם התוודע לזיהוי פלילי מחשבים ואבטחת סייבר. כרגע הוא עושה הרבה לימוד עצמי ומתעסק בטכנולוגיה כדי להבין איך הם עובדים ואיך אנחנו יכולים להשתמש בהם כדי להפוך את החיים לקלים יותר (או לפחות מגניבים יותר!).
הירשם לניוזלטר שלנו
הצטרף לניוזלטר שלנו לקבלת טיפים טכניים, ביקורות, ספרים אלקטרוניים בחינם ומבצעים בלעדיים!
לחץ כאן כדי להירשם
