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芯片,它是迄今人类提取的最纯物质

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芯片,它是迄今人类提取的最纯物质
2020-11-22 11:58:47 阅读:17 发布人:纵横智控


大家好,这是一篇关于芯片领域最基础的原材料“单晶硅棒”的科普文章,这是一根神奇的棒子!

在正式开始前,请先让我简短的说一点儿别的内容。有读者可能发现,这篇文章的标题多了个前缀“芯片的世界丨”。

芯片对于我国有着特殊的意义,是我国科技领域的最大瓶颈,这颗芯也折磨着无数读者的心。大家盼着我国芯片技术突破,盼着5nm光刻机诞生,盼着华为挺起胸膛向美国怒吼,盼着我们自己的实体清单上能列满美国企业名单......

技术进步是需要时间的,为了让不了解芯片的读者在漫长的等待中,能够对芯片多一些认识,也能更好的去消化各种芯片相关的信息,我准备围绕芯片,多写几篇文章,争取形成一个系列。如果您对我的文章感兴趣,欢迎关注我!

文章内容会围绕着芯片设计和生产,芯片设计包括了基础知识、设计工具、指令集和架构、芯片产品设计等;芯片生产包括了原材料、制造设备、生产、封测等。看完之后,你会发现,光刻机只是芯片行业的沧海一粟,芯片的世界实在是太大了!

文章内容争取做到让文科生也能理解,大家在阅读的过程中,就权当在为我国芯片事业加油吧!

接下来让我们进入正文,谢谢大家的耐心!

正文

图片关键词

硅,是地球中储量排名第三的元素。

第一是铁,约占32%,地球内部基本是一个滚烫的大铁芯;

第二是氧,约占30%,主要存在于地壳和空气中,是构成各种化合物的基础。

而硅,约占15%,主要存在于地壳中,以二氧化硅和各种硅酸盐等化合物的形式,广泛存在于矿物、岩石和沙子中。

我们应该记住一个科学家,瑞典化学家琼斯·雅可比·贝采里乌斯(Jons Jakob Berzelius),1823年他发现硅是一种元素。

关于硅有一些有趣的事情,给大家举两个:

硅以前叫做矽(xi 一声),是从英文Silicon音译来的。因为与另外的化学元素“锡”和“硒”同音易混淆,我们大陆在1953年改为硅。而港澳台还使用“矽”字,如“矽谷”(硅谷),所以大家看到矽谷不要以为是写错了。

硅和碳是同族元素,地球中硅含量15%,而碳则属于others,和另外109种元素加起来才占1.2%。可是地球上的生命却是碳基的,这在概率上说不通啊,所以有些人认为地球生命起源于外星球,也就是说我们人类是地球的殖民者,这听起来是不是很科幻。当然更多的科学家认为碳比硅有更好的活性,容易和其他元素构成大分子有机物,所以外星人的观点仅供大家娱乐。也有一些科学家坚信宇宙中确实有硅基的生命体,就是不需要呼吸氧气的那种。

硅的用途实在太多了,是现代人离不开的元素。冶炼用的工业硅、化工用的有机硅、光伏用的多晶硅、商砼(tong 二声)用的硅粉,还有芯片用的单晶硅。硅可以说上得厅堂,下得厨房!

硅的半导体特性

关于芯片为什么一定要用半导体这种偏理论的知识,我们放到后续文章去谈,这里就科普一下硅的半导体特性。

硅半导体特性的发现是一个曲折的过程,硅元素被发现后,人们对硅的认识很迷茫。硅到底是金属还是绝缘体?当时的人认知比较简单,认为金属是导体,不是金属就一定是绝缘体。这一争论持续了100多年,最终人们才发现硅既不是金属,也不是绝缘体,而是半导体!

硅的半导体特性,从学术上来讲,是因为硅原子形成晶体时,有三个能带:导带,禁带和价带。如果有电子在导带,就能移动并导电。可惜平时电子处于价带,和导带之间隔着禁带。但是在某些条件下,比如电压、电流、光照和热等因素激发,电子就跳过禁带跃迁到导带,所以就能导电了。

如果有读者还不清楚,咱再举个生动的例子:

硅晶体的价带就相当于一个国家的国内,禁带就相当于海关,而导带相当于出国的航班。电子就是国内的人,平时没有护照和签证是没法出国的,海关会把你拦下来。可一旦你办了护照和签证,就可以顺利通过海关坐上出国的航班,一路畅通无阻。护照和签证就相当于电压、电流、光照和热。

顺便说一下,导体中的电子相当于有国外绿卡的人,可以随便出国。而绝缘体中的电子相当于护照被组织收上去的体制内人员,哪也去不了。

其实纯硅的半导体特性并不实用,因为它的禁带比较尴尬:

对于低压应用,比如芯片,它的禁带太宽,相当于海关手续太繁琐。所以在实际应用中要添加其他元素调节禁带,一般是硼和磷,在禁带和导带之间形成杂质能带,作用就相当于简化海关手续,一站式通关。

对于高压应用,比如大功率器件,它的禁带又太窄,相当于海关监管不严,一有冲关就把不住了。所以需要更宽的禁带,第三代半导体碳化硅,砷化镓就应运而生,我的其他文章有说到第三代半导体。

本文讨论的主要是电脑和手机的低压芯片,所以要对纯硅添加杂质。要添加杂质,首先得有纯净的单晶硅才行,接下来咱们就说说单晶硅的生产。

能读到这的读者,敬佩你,请加油!

单晶硅棒

单晶硅棒

上图这根棒子,就是我们今天的主角——单晶硅棒。

硅是迄今为止人类能够提取的最纯物质,纯度最高能够达到99.99999999999999%,不用数了,一共是16个9!真的如梦幻一般!可以说纯硅比钻石更能代表爱情的纯洁!

硅的纯度一般用N表示,N


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