Pureza del silicio y densidad de características electrónicas [cerrado]

Durante el desarrollo de un circuito integrado, tengo entendido que necesita una pureza de silicio del 99,99999999 %.

¿Siempre ha sido así? En 1971, ¿había alcanzado este nivel de pureza el primer microprocesador comercialmente disponible (Intel 4004, proceso de 10 micras)?

¿Cómo aumentó la pureza del silicio para fines electrónicos a medida que disminuyó el tamaño de la característica (ancho del electrodo de puerta)?

He buscado en línea durante varios días con poco éxito. Soy consciente de los procesos de purificación de silicio y realmente solo busco un conjunto de datos definitivo sobre el aumento de la pureza durante la reducción de características; si hay alguno?

9,99999999% o 99,9999999%. Realmente espero que sea un error tipográfico
Eso es un poco de silicio de baja pureza;)
La compuerta cuádruple NAND 7400N fue el primer producto de la serie, presentado por Texas Instruments en un paquete plano de metal de grado militar en octubre de 1964. El extremadamente popular DIP de plástico de grado comercial siguió en el tercer trimestre de 1966.
Lo siento, microprocesador, primero disponible comercialmente pero no en uso.
Está (intentando) vincular lo antiguo (características grandes, impuro) con lo nuevo (características pequeñas, muy puras), pero piense en lo que realmente necesita. Para un proceso SOI moderno, es posible que ni siquiera se necesite una oblea de alta pureza, ya que los componentes se asientan sobre una capa aislada de SiO2. Sin SOI, el dopaje más bajo que desea realizar define de manera confiable el nivel de pureza de silicio que necesita. Para dispositivos y procesos de muy baja fuga/alto voltaje, es posible que necesite niveles de dopaje muy bajos. Para la velocidad más alta probablemente no.
¿Por qué hay votos cerrados con "poco claro" como motivo? Esta pregunta es bastante clara.
¿Por qué querrías usar silicio puro? Porque las impurezas crean defectos, añaden resistencia y otros problemas. Sí, la pureza ha aumentado, porque las impurezas crean defectos y cuanto más pequeñas se hacen las puertas, menos tolerables son a los defectos.
Las funciones más pequeñas necesitan silicio más puro a medida que el tamaño de la función se vuelve más pequeño, el impacto de los defectos aumenta. Por el contrario, cuando tiene funciones más grandes, un solo defecto es un problema menor porque representa menos del dispositivo.

Respuestas (1)

Esa es una pregunta sorprendentemente complicada.

Entonces, en primer lugar, lo fundamental para los microprocesadores disponibles en el mercado son los transistores y diodos confiables y bien definidos, basados ​​en uniones pn.

Confiable implica que, bajo ninguna circunstancia, una unión semiconductora debe actuar como un metal. Sin embargo, todos los semiconductores hacen eso tan pronto como los dopa demasiado.

Esto implica que para los dispositivos semiconductores comerciales, necesita los llamados semiconductores ligeramente dopados . Obviamente, desea que los átomos dopantes sean los átomos dominantes que no sean de silicio, por lo que cualquier otro tipo de átomo, para que no sea realmente insignificante para las bandas involucradas, debe ser al menos dos o tres órdenes de magnitud más raro.

Entonces, ¿qué es un semiconductor ligeramente dopado ? Las definiciones difieren, pero la conclusión es que el semiconductor no debe estar degenerado, es decir

mi C − m ≫ k B T m − mi v ≫ k B T
debe sostener

Aquí, mi C y mi v son las energías en las bandas de conducción y valencia, cada una, que son fijas para un semiconductor dado. m sin embargo, es el llamado nivel de Fermi , que es el nivel de "equilibrio de probabilidad de ocupación". En otras palabras, a temperatura ambiente, es probable que un electrón (50%) tenga ese nivel de energía. Lo que exigen las desigualdades anteriores es que la distancia desde ese nivel hasta los bordes de la banda sea lo suficientemente grande como para evitar que las cargas fluyan espontáneamente de repente.

m depende del dopaje, ya que es función del número de portadores de carga. Ahora bien, no soy un experto en la producción de semiconductores en sí, pero supongo que con el cariño típico en la región de 10 − 15 cm − 3 , y la masa molar del silicio, puede llegar lo suficientemente lejos como para hacerse una idea de lo que es técnicamente necesario para los transistores de biunión basados ​​en silicio puro. Luego, agregue un margen de seguridad: las estructuras son muy pequeñas, por lo que un grupo de digamos 3 átomos no deseados ya podría ser bastante, por lo que la probabilidad de eso debe suprimirse lo suficientemente por debajo de su rendimiento aceptable. Se reduce a una compensación de tamaño/costo/confiabilidad/rendimiento y no se puede dar una respuesta general.

Ahora, estos cálculos se basan en la suposición de que estamos trabajando en una oblea de silicio con la red de silicio "natural" y, en realidad, los circuitos integrados modernos se basan en SOI: silicio estirado en un aislador (SiO 2, por lo general ) . Es muy difícil hablar de pureza en este contexto.

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