XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Кремний - самый умный элемент на земле
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
А песок, я вам открою, –
Это кремния оксид.
Кремний – полупроводник,
Главный житель микросхем.
Без него бы сразу сник
И компьютер, и модем.
Без него бы – так и знайте! –
Нас бы не было на сайте!
Кремний, самый умный элемент на земле - мозг электроники, это- старт в науку.
П очти все процессоры, которые производятся в мире, делаются на кремниевой основе. На процессор возложены все вычислительные операции, причем, не только арифметические, но и логические. Процессор состоит из транзисторов, которые как бы впечатанные в кремневый кристалл.И это потому, что у кремния подходящая внутренняя атомная структура, которая позволяет делать микросхемы и процессоры практически любой конфигурации.
Содержание кремния в земной коре составляет порядка 25-30% по массе, благодаря чему по распространённости этот элемент занимает второе место после кислорода. Кварцевый песок имеет высокий процент содержания кремния в виде диоксида кремния (SiO2) и в начале производственного процесса является базовым компонентом для создания полупроводников.
Первоначально берется SiO2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:
SiO2 + 2C = Si + 2CO
Такой кремний носит название «технический» и имеет чистоту 98-99.9%. Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» — в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния.
Высокочистый полупроводниковый кремний (всего несколько частей на миллион примесей) расплавляют в тигле при 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), обычно из кварца. Присадочные атомы, такие как бор или фосфор, могут быть добавлены к расплавленному кремнию в точном количестве для легирования, тем самым изменяя его на кремний типа p или n с различными электронными свойствами.
Т очно ориентированный стержень - семенной кристалл погружается в расплавленный кремний. Шток семенного кристалла медленно поднимается вверх и вращается одновременно. Благодаря точному регулированию градиентов температуры, скорости вытягивания и скорости вращения, можно извлечь крупный монокристаллический цилиндрический слиток из расплава. Этот процесс обычно проводят в инертной атмосфере - такой, как аргон, в инертной камере - такой, как кварц.
В
Рисунок. 1Готовый кристалл кремния
результате образуется, так называемая, «буля» — монокристалл высотой с взрослого человека. Этот процесс был назван в честь выдающегося польского ученого и подданного Российской империи Яна Чохральского, который изобрел его в далеком 1915 году.
Выращивание кристаллов - это процесс, в котором уже существовавший кристалл становится больше. Во время роста молекулы или ионы должны попадать в правильные положения решетки, чтобы упорядоченный кристалл мог расти. Это очень интересный процесс, подаривший науке множество любопытных открытий.
Процесс выращивания кристаллов осуществляется благодаря специальным приспособлениям - колбам и решеткам, в которых и проходит основная часть процесса кристаллизации вещества. Эти приспособления в огромном количестве существуют практически на каждом предприятии, на к отором идет работа с металлами, минералами.
Получившийся слиток охлаждают и режут на «блины», поверхность которых тщательно выравнивают и полируют до зеркального блеска.
З атем в «чистых комнатах» полупроводниковых заводов на кремниевых пластинах методами фотолитографии и травления создаются интегральные схемы. «Чистая комната» потому и чистая, что в ней поступающий воздух фильтруется. Грязь удаляется с установок. Так называемое, ламинарное перемещение воздуха от потолка к полу, как и регулировка влажности и температуры, в итоге приводят к идеальной чистоте в помещении. Этим «чистые комнаты» и отличаются от обычных помещений. Комната первого класса в полупроводниковом производстве, чище хирургической операционной, примерно в тысячу раз! Этим можно объяснить особенности поддержания и определения показателей чистоты, специфические требования, например, к контрольным приборам, счетчикам частиц в воздухе. Люди в «чистых комнатах» работают в специальных скафандрах, которые полностью закрывают, в том числе, и волосяной покров. В некоторых скафандрах есть даже собственная система дыхания. Чтобы не было вибрации, «чистые комнаты» находятся на виброзащитном фундаменте.
После повторной очистки пластин, специалисты лаборатории под микроскопом производят выборочное тестирование процессоров – если все «ОК», то готовые пластины разрезают на отдельные процессоры, которые позже заключают в корпуса, чтобы можно было вставить его в материнскую плату.
Крышка выполняет две функции: защищает сам кристалл от повреждений и отводит от него тепло во время работы. Дело в том, что миллионы транзисторов при работе нагреваются, и если процессор не остужать, то он перегреется, и кристалл может испортиться. Чтобы такого не произошло, на крышку процессора ставят воздушные кулеры или делают водяное охлаждение.
Большая часть современных процессоров это один полупроводниковый кристалл, содержащий миллионы, а с недавнего времени даже миллиарды транзисторов.
Если верить стэнфордским микробиологам, в одном человеческом мозге находится больше «транзисторов», чем во всей мировой IT-инфраструктуре, а значит, есть, еще куда расти и расти.