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具有负电阻温度系数的硅半导体及其应用

关注:658 发表时间:2019-09-18 15:00:32

现代电子设备被构造成具有电阻器,二极管,晶体管,集成电路,其由半导体材料制成。如今,硅是电力电子元件中使用最多的半导体:二极管,晶闸管,IGBT,MOSFET晶体管等。原因是硅可以抵抗非常高的温度和电流。硅晶体管的最高操作温度为150 ø ℃,同时例如锗晶体管具有高达70 ö C。硅不是导体真正意义上的这个词。它在某些条件下导电。硅是半导体材料,它是绝对零温度(0K)下的绝缘体。随着温度的升高,热能将导致共价电子部分变得自由。

当施加电场时,它们将移动并变成传导电子。这意味着硅具有负电阻温度系数。纯硅具有1.1eV的共价键能。这意味着释放晶体结构中的价电子需要多少能量。

硅半导体



纯单晶硅用作晶片和集成电路的机械支撑。纯硅很难传导电能。硅掺杂有不同的杂质以增加材料的导电水平。杂质增加了额外的能级,并且能带隙变得更长。具有宽带隙的半导体意味着带隙能量高于2eV的材料。这些半导体适用于高功率电子器件,高温和高工作频率条件。碳化硅(SiC)在商业电子元件生产中获得最佳结果。它的带隙能量为3.03 eV。

添加了杂质的硅可以成为N型半导体或P型半导体。如果将具有五价电子供体(氮-N,磷-P,砷-As,锑-Sb,铋-Bi)的杂质添加到纯四价硅中,则四个杂质电子将与四个相邻的Si共价结合。原子并形成共价键。第五个电子保持自由,由于热能,它在晶格中混乱地移动。如果存在外部电场,自由电子导电。通过将三价杂质 - 受体(铟-In,硼-B,铝-Al和镓-Ga)添加到纯四价硅中形成P-型半导体,将与三个Si原子形成共价键。空的空间被称为洞。形成的孔可在晶格中自由移动。在这种情况下,带正电的空穴将导电。

硅半导体的应用

基于Si的半导体的主要优点是寿命长,体积小,重量轻,生产简单,机械强度大,供电能力低,生产经济。Si是光伏电池构造中必不可少的材料(98%)。半导体晶体二极管(整流器)被制成束缚P型和N型半导体,称为PN结。取决于提供的电压极性,能带隙将增加或减少,因此二极管电阻正在变化,可以非常小(欧姆)或非常高(兆欧姆)。基于此,二极管将导通或不导通(整流二极管效应)。作为变阻器的非线性电阻器(电压相关电阻器)通常由SiC(碳化硅)制成。此外,晶体管,微芯片由硅基导体制成。

接下来言归正传,说到晶体管的栅长就必须说到摩尔定律,在一个CPU当中拥有数十亿的晶体管,正是因为晶体管的原理才会导致这些晶体管之间不会轻易的损坏,因为这些损坏随时都能够被替代的晶体管给补上,这也是为什么一个CPU的价格会那么贵的原因了。当然晶体管就是根据摩尔定律来进行不断的改进的,在摩尔定律当中7nm已经是最小的晶体管了,一旦研发出来5nm的晶体管也就意味着摩尔定律的失效,当然除了这个主要的原因之外就是另外的一个原因了。

路由、可靠的通信和同步在硬件中处理。消息会自动激活每个到达消息的应用程序处理程序Swarm为每个神经网络提供独特的优化通信路径。软件根据正在运行的特定用户定义的神经网络的结构,配置通过400,000个内核的最佳通信路径以连接处理器。

CPU芯片越复杂,包含的电路越多,出错的可能性越大。我们以英特尔酷睿i系列为例,它里面封装了几亿个到几十亿个晶体管,成品CPU大多数都有缺陷。

这项研究的灵感来源于著名的“摩尔定律”。摩尔定律是由英特尔创始人之一的戈登摩尔(GordonMoore)于20世纪60年代提出的理论,它认为集成电路上的晶体管数量每两年就会增加一倍。为了遵循这一行业“黄金法则”,研究人员不断地尝试新方法,从而尽可能地将更多的晶体管植入计算机微芯片。当前最新的趋势是将三维晶体管进行垂直放置。通过各种努力,数以百亿计的晶体管就能最终装载在指甲盖大小的微型芯片上了。

几十亿颗芯片要制造出来,得有一套详细的流程,什么时候用什么机台用什么条件等,fab里叫flow,就是流水线作业,这个在产品进入量产之前,都会有几个版本的flow,调工艺条件,叫recipe。

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