Por que o silicone é usado para fazer microchips?

Na minha busca para entender melhor como os computadores funcionam em um nível profundo, cheguei à questão de por que exatamente o silício é usado em microchips. Eu sempre assumi, ingenuamente, que o silício tinha uma resistência elétrica muito alta e, por isso, era um bom material para colocar outros materiais com baixa resistência elétrica (ou seja, ouro). E era assim que os microchips eram feitos.

Depois de fazer algumas pesquisas, vejo que estava errado e que o silício é um 'semicondutor'. Para manter isso curto, vou pular para frente e dizer que não entendo o que é um semicondutor e por que é bom para fazer microchips. Eu já vi várias explicações e elas me confundiram, ou as explicações se contradiziam completamente, mas a essência básica é que um semicondutor está em algum lugar entre um condutor e um isolador. Por que isso é útil para fazer circuitos integrados?

Qualquer um de vários materiais semicondutores pode ser e é usado; de fato, o primeiro transistor foi na verdade um transistor de germânio (Ge). a verdadeira razão pela qual o Si é tão dominante se resume a quatro razões principais (mas o principal é o número 1):

1) Forma um óxido de alta qualidade e sela a superfície com muito poucos orifícios ou folgas. - isso permite que o MOSFET do gap seja feito com mais facilidade à medida que o SiO ₂ forma a camada isolante do Gate, - o SiO ₂ foi chamado de amigo dos projetistas de chips.

2) Forma um nitreto muito resistente, o nitreto de silício Si ₃ N ₄ forma um isolador de bandgap muito alto que é impermeável. - isto é usado para passivar (selar) o dado. - isso também é usado para fazer máscaras duras e em outras etapas do processo

3) O Si tem um intervalo de banda muito bom de ~ 1,12 eV, não muito alto para que a temperatura ambiente não possa ionizá-lo e nem tão baixo que tenha alta corrente de fuga.

4) forma um material de porta muito agradável. Os FETs mais modernos usados ​​no VLSI (até as últimas gerações) foram chamados de MOSFET, mas, na realidade, usaram o Si como material de porta. Acontece que é muito fácil depositar Si não cristalino em superfícies e é facilmente gravado com grande precisão.

Basicamente, o sucesso do Si é o sucesso do MOSFET, que com escala e extrema integração impulsionou o setor. Os Mosfet não são fabricados com tanta facilidade em outros sistemas de materiais, e você não pode conduzir o mesmo nível de integração em outros semicondutores.

GeO ₂ - é parcialmente solúvel

GaAs - não forma óxido

CO ₂ - é um gás

Os semicondutores são usados ​​porque, com a contaminação seletiva (chamada dopantes), você pode controlar as propriedades do material e adaptar seus mecanismos de operação e operação.

Para esboçar por que um semicondutor é bom para a criação de circuitos, comece com o entendimento de que ele está entre um condutor e um isolador e adicione o fato de que as impurezas (dopantes) e outro processamento (camadas de óxido) podem modificar seu comportamento para formar partes de conduz melhor, e outras partes conduz pior. Acrescente o fato de que as cargas elétricas se atraem ou se repelem (os opostos se atraem, como as cargas se repelem).

Agora imagine um canal onde os elétrons possam fluir, isolados de uma camada condutora próxima, na qual você controla a tensão. Torne a camada negativa e seu campo elétrico repele os elétrons no canal - mesmo através do isolador - impedindo-os de entrar no canal. Torne-o positivo e atraia elétrons para o canal a partir do terminal -ve, onde eles podem fluir através dele para o terminal + ve. Assim, você pode controlar o fluxo de corrente com a tensão na camada isolada.

Este é um transistor de efeito de campo ou FET. - a camada isolada é chamada de portão; o terminal -ve é chamado de fonte e o terminal + ve é o dreno.

À medida que os elétrons fluem no canal, ele é chamado de FET de canal N (N para negativo)

Existem outros dispositivos que você pode construir em um semicondutor, com mais profundidade de entendimento, mas espero que isso seja suficiente para mostrar o princípio básico.

Quanto ao porquê silício? Entre talvez uma dúzia de possíveis materiais semicondutores, é particularmente conveniente e confiável, além de ser quase tão barato quanto a areia (que é principalmente dióxido de silício)