硅谷位于美国加利福尼亚北部的大都会区旧金山湾区南面,是高科技事业云集的圣塔克拉拉谷的别称。 硅谷最早是研究和生产以硅为基础的半导体芯片的地方,因此得名。 硅谷是当今电子工业和计算机业的王国,硅谷是世界高新技术创新和发展的开创者和中心,该地区的风险投资占全美风险投资总额的三分之一,硅谷的计算机公司已经发展到大约1500家。
《硅谷1-6》百度网盘高清免费资源在线观看
链接:https://pan.baidu.com/s/1gTY4b2FJbTEl4pxfMgKYqg?pwd=o9e3
提取码:o9e3
故事发生在高科技产业云集的美国硅谷,在这里,最有资质成功的人往往却是最没有办法处理其“功成名就”的人,本剧主人公理查德(托马斯·米德勒蒂奇 Thomas Middleditch 饰)正是这样的人。
金刚石要能代替芯片的基本材料硅的话,母猪都能上树。在半导体发展 历史 上,最初流行锗半导体,不久就被硅半导体打败,最终硅统治了半导体王国,锗半导体仅在少数领域刷存在感。实话实说,金刚石虽然能俘虏女人的心,但在半导体行业人士眼里,商业价值甚至比不过锗。
下面,我条分缕析,一一解析原因。
要替代硅,元素含量必须丰富,容易开采
硅被称为“上帝赐给人类的财富”,原因之一是,它占地壳总质量的26.4%,是仅次于氧的含量第二丰富的元素,随便抓起一把沙子、泥土,拿起一块石头,里面都含有大量的硅的氧化物——二氧化硅。
相比之下,锗的含量只有100万分之7,含量十分稀少,而且几乎没有比较集中的锗矿,
这就造成锗的开采成本是硅的几百倍,商业价值很低。
金刚石虽然有集中的金刚石矿,但含量太少了。2015年,全球半导体级的多晶硅需求超过6万吨,每年都在增长。想要替代硅的话,上哪去找每年6万多吨的金刚石?
金刚石提纯难
金刚石含有或多或少的杂质,要去除这些杂质,以目前的 科技 ,很难做到。而硅的提纯相对容易得多,将硅石在电弧炉中熔化,用碳或石墨还原,得到硅含量98.5%的工业硅(又叫“金属贵”),然后粉碎成微细粉末,与液态氯化氢(不是盐酸,盐酸是氯化氢的水溶液)在大约300摄氏度发生反应,生成三氯氢硅,经蒸馏、精制,获得很高的纯度,然后将高纯三氯氢硅与超高纯氢发生还原反应,得到纯度99.999999999%的多晶硅(比纯金多7个9),然后拉制单晶硅。
一根直径12英寸(目前最大)的单晶硅棒,高约2米,重约350公斤,纯度99.999999999%,相当于100亿个硅原子中,允许1个杂质原子存在。
从上述过程可以看出,硅的提纯就是一系列连续的氧化、还原反应。要让化学反应产生,元素的化学性质需要相对活泼,但金刚石的主要成分是碳元素,碳的化学性质远不及硅活泼,难以进行去除杂质的氧化、还原反应,纯度提升很难。
金刚石加工难
在提纯难关之后,加工的难题才是最大的难题。制作芯片前,单晶硅棒需要切成薄片,硅的硬度虽然高,但可以利用自然界最硬的物质金刚石进行切割。
但,用金刚石做芯片基体材料,切割将是难题,用金刚石切割金刚石,效率低,费用高,只能用硬度更高的人造物质。
目前已知硬度最高的人造物质是碳炔,硬度是金刚石的40倍,但还处于试验阶段,未到大规模商业化阶段。如何将金刚石切片,现在还没有很好的解决办法。
就算不久的将来,碳炔能顺利商用,金刚石能被切成薄片,真正的难题来了:如何制造绝缘膜?
在硅片上制造绝缘膜非常方便,将硅片放到900摄氏度左右的高温水蒸气环境中,硅片就会与氧发生热氧化反应,在表面生长硅氧化膜——二氧化硅(玻璃的主要成分),然后对其涂抹光刻胶,进行刻蚀,再配合其它工艺和材料,就可以得芯片。硅氧化膜具有不吸潮、耐酸碱、导热性好、光学性能稳定、绝缘性能良好的特点(感觉抽象的,脑想想玻璃的特点),是芯片制作的前提,而且通过硅这种基体材料就可以方便地得到硅氧化膜,正是因为硅氧化膜如此重要,得来又如此容易,加上硅含量丰富,所以硅才被称为“上帝赐给人类的财富”。
金刚石做芯片基体的话,氧化膜从那里来?金刚石本身是纯碳,其氧化物是二氧化碳,常温下是气态,充当绝缘?那是不可能的,一形成人家就跑到空气中逍遥自在了。用其它氧化物?试验验证、工艺流程研发、设备改造,花钱海去了,还不一定能成功。
总之,用金刚石做芯片基体材料,不仅含量少,而且加工极难,商业价值极低,由于这些缺点,根本不可能取代硅在芯片行业的地位。
回答这个问题,必须弄清三方面问题:
我认为, 金刚石不能代替芯片的基体材料硅 。
哪些材料能用于芯片基体?
能用于制作芯片基体的半导体材料有如下几类:
由上述分类可以看出,金刚石的确是半导体材料,有做成芯片基体的潜能。接下来需要考虑,金刚石能否满足芯片对基体材料的要求。
金刚石能否替代硅?
这个问题需要从两者的化学特性和工业制作成本来考虑。
一、化学特性对比
硅有无定形硅和晶体硅两种同素异形体,晶体硅为灰黑色,无定形硅为黑色,密度2.32-2.34克/立方厘米,熔点1410 ,沸点2355 ,晶体硅属于原子晶体。不溶于水、硝酸和盐酸,溶于氢氟酸和碱液。硬而有金属光泽。
硅的电导率与其温度有很大关系,随着温度升高,电导率增大,在1480 左右达到最大,而温度超过1600 后又随温度的升高而减小。
金刚石它是一种由碳元素组成的矿物,是碳元素的同素异形体,金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。其结构是正八面体晶体,晶体中每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个相邻的碳原子形成共价键,每四个相邻的碳原子均构成正四面体。晶体类型金刚石中的CC键很强,所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以金刚石硬度非常大,不导电,熔点在3815 。金刚石在纯氧中燃点为720~800 ,在空气中为850~1000 。
二、工业制作对比
1.原料成本
硅也是极为常见的一种元素,然而它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中,它是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%)。
世界上有20多个国家赋存有金刚石矿产,主要分布在澳大利亚、非洲西部和南部,以及俄罗斯的亚洲部分。目前,全世界金刚石产量每年超过100百万克拉,其中宝石级15%,近宝石级38%,工业级47%。
相比于硅的来源,金刚石因存量少,原料成本是相当高的。
2.制作成本
金刚石的出产是很复杂的,它需要经过采矿、粉碎、冲洗、沉淀、挑选、分类、切割、打磨以及抛光等诸多工序之后才能出现在市场上。从开采的大块岩石中将钻石分离出来是相当困难的。即使有先进的技术,发掘的过程仍然十分复杂。而生产一颗切磨好的1克拉重的金刚石,必须从钻石矿藏中挖出至少约250吨的矿土进行加工处理而成。
金刚石还因硬度太高,难以加工;此外,相比于单晶硅,金刚石提纯工艺复杂,很难提纯到6个9或7个9的等级。
总结
金刚石从理论上来说,是可以作为芯片基体材料的。但是,从工业制作的角度来说,原料储存少、加工难度大的金刚石,不适合替代硅制作芯片,即便制作出来了,价格也是难以承受的。
特殊情况,特殊对待。一般是没有那么替的
不会,因为它不具备半导体特性,而且加工提纯困难。
碳化硅(SIC)是半导体界公认的“一种未来的材料”,是新世纪有广阔发展潜力的新型半导体材料。预计在今后5 10年将会快速发展和有显著成果出现。促使碳化硅发展的主要因素是硅(SI)材料的负载量已到达极限,以硅作为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。而金刚石虽然说本质也是碳,但原子排列不一样,目前不能代替芯片材料!至少是几十年以内!
未来碳基芯片有可能替代硅基芯片。
金刚石是可以代替芯片的基体材料硅。
硅被采用作为芯片的基本材料,第一个是因为它储量巨大。硅在自然界并不单独存在,最常见的化合物是二氧化硅和硅酸盐,广泛存在于岩石、砂砾和尘土。如此作为芯片制造的基本材料,是非常容易得到。
第二个原因是硅提纯技术发展成熟,人类可以生产近乎完美的硅晶体
第三个原因是硅性质稳定,包括化学性质和物理性质。例如曾经做过芯体材料的锗,当温度达到75 以上时,其导电率有较大变化。对于芯片而言,此现象将会引发其性能的稳定性。硅相比锗,就优秀的多。
尽管硅有如此多的优点,作为半导体材料,用来制作芯片的基本组件晶体管。但是,随着现代经济的发展,在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中,硅正在达到性能的极限。为此需要寻求新材料的突破,从而制造全新的芯片。
金刚石,俗称钻石,如果用纯天然的钻石制造芯片,价格昂贵,且芯片总体数量是可预估的。但是金刚石原料的储量是可以依靠人造钻石来解决。
其次,在性质表现方面,钻石作为半导体材料具有最好的绝缘耐压性和最高的热传导率。人们通常观念里认为钻石不导电,该说法不严谨,实际上钻石电阻非常大。但是目前日本研究员在钻石中掺进杂质解决了该问题,并首次制成双极型晶体管,为研究节能半导体元件开辟了道路。
设想钻石作为半导体制作的手机芯片出现,由于耐受高温的特性,电子元器件的老化会得到有效遏制,自然智能手机的电子寿命会延长。其次该芯片能够减少发热量,手机会变得更薄,省下来的空间也可以用来提升手机性能。这仅仅是手机领域,像重工业和航天工业借助钻石芯片受惠更多。
金刚石是可以替代硅的,只是目前还存在一定的技术难度,需要科研人员努力 探索 。
硅的性质,氧化二氧化硅,可作绝缘材料,单晶硅,渗其它元素后,形成极性,可外延可,气相叠加,可化学刻录图案,而金刚石,是碳,有以工能吗,如有气相叠加单晶硅,有可以作极性材料,一是散热率,二导电率。
对这个问题我们首先分析这两种材料的特性之后再做判断。
一、硅
化学成分
硅是重要的半导体材料,化学元素符号Si。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于0.4ppb和0.1ppb。拉制单晶时要掺入一定量的电活性杂质,以获得所要求的导电类型和电阻率。重金属铜、金、铁等和非金属碳都是极有害的杂质,它们的存在会使PN结性能变坏。硅中碳含量较高,低于1ppm者可认为是低碳单晶。碳含量超过3ppm时其有害作用已较显著。硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅单晶氧含量在5 40ppm范围内;区熔硅单晶氧含量可低于1ppm。
硅的性质
硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中,为1.12电子伏。载流子迁移率较高,电子迁移率为1350厘米2/伏·秒,空穴迁移率为480厘米2/伏·秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3 105欧·厘米,掺杂后电阻率可控制在104 10-4 欧·厘米的宽广范围内,能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长,在几十微秒至1毫秒之间。
热导率较大。化学性质稳定,又易于形成稳定的热氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜实现PN结表面钝化和保护,还可以形成金属-氧化物-半导体结构,制造MOS场效应晶体管和集成电路。上述性质使PN结具有良好特性,使硅器件具有耐高压、反向漏电流小、效率高、使用寿命长、可靠性好、热传导好,并能在200高温下运行等优点。
技术参数
硅单晶主要技术参数有导电类型、电阻率与均匀度、非平衡载流子寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。
导电类型 导电类型由掺入的施主或受主杂质决定。P型单晶多掺硼,N型单晶多掺磷,外延片衬底用N型单晶掺锑或砷。
电阻率与均匀度 拉制单晶时掺入一定杂质以控制单晶的电阻率。由于杂质分布不匀,电阻率也不均匀。电阻率均匀性包括纵向电阻率均匀度、断面电阻率均匀度和微区电阻率均匀度。它直接影响器件参数的一致性和成品率。
非平衡载流子寿命 光照或电注入产生的附加电子和空穴瞬即复合而消失,它们平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子寿命同器件放大倍数、反向电流和开关特性等均有关系。寿命值又间接地反映硅单晶的纯度,存在重金属杂质会使寿命值大大降低。
晶向与晶向偏离度 常用的单晶晶向多为 (111)和(100)(见图)。晶体的轴与晶体方向不吻合时,其偏离的角度称为晶向偏离度。
单晶硅的制作
硅单晶按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)单晶与有坩埚直拉(CZ)单晶。区熔单晶不受坩埚污染,纯度较高,适于生产电阻率高于20欧·厘米的N型硅单晶(包括中子嬗变掺杂单晶)和高阻 P型硅单晶。由于含氧量低,区熔单晶机械强度较差。
大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。直接法易于获得大直径单晶,但纯度低于区熔单晶,适于生产20欧·厘米以下的硅单晶。由于含氧量高,直拉单晶机械强度较好。大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。外延片衬底单晶也用直拉法生产。硅单晶商品多制成抛光片,但对FZ单晶片与CZ单晶片须加以区别。外延片是在硅单晶片衬底(或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底)上外延生长硅单晶薄层而制成,大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。
单晶硅的应用
单晶硅在太阳能电池中的应用,高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天,利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能,实现了迈向绿色能源革命的开始。
二、金刚石
金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石的原身,它是一种由碳元素组成的矿物,是碳元素的同素异形体。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。金刚石的用途非常广泛,例如:工艺品、工业中的切割工具。石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石。也是贵重宝石。
化学性质
金刚石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体,是指经过琢磨的金刚石。金刚石是无色正八面体晶体,其成分为纯碳,由碳原子以四价键链接,为目前已知自然存在最硬物质。由于金刚石中的C-C键很强,所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以金刚石硬度非常大,熔点在华氏6900度,金刚石在纯氧中燃点为720~800 ,在空气中为850~1000 ,而且不导电。
结构性质
金刚石结构分为;等轴晶系四面六面体立方体与六方晶系钻石。
在钻石晶体中,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强,所以所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以钻石不仅硬度大,熔点极高,而且不导电。在工业上,钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具,形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品,其价格十分昂贵。
结论:金刚石不能代替芯片的基体材料硅。
不要再提 豫金刚石 啦,它已经被关啦
曾在某书上看到过这样一句话,每个人都有每个人的时区,人生中的每一件事情都取决于我们自己的时间,不用紧跟身边人的步伐,每个人的人生节奏都不一样。
台湾“芯片之父”张忠谋就是一个典型的例子,56岁的他开始创业之路,即便起步晚,却打造出了令人瞩目的“商业王国”。
战乱出生 考入哈佛
1931年,战火纷飞的年代,张忠谋在宁波出生。因时局动荡,刚满1岁的张忠谋就跟着家人迁居到南京。1937年,年幼的张忠谋又跟着家人迁居到香港。
在张忠谋的童年,迁居成了常事。值得一提的是,张忠谋的父亲张蔚观曾是宁波县的官员,即便居无定所,但也能独善其身。
受家庭因素的影响,在战乱中长大的张忠谋还能正常接受教育。1943年,张忠谋随着家人再次迁居到重庆。
在短短11年之内,张忠谋一家就迁居了五次。12岁的张忠谋早就到了上学的年龄,在家里的安排下,他进入南开中学读书。
南开中学在全国是数一数二的学校,在创办者张伯苓的影响下,这所学校为中国培养了众多优秀人才。张忠谋能进该校接受教育,除了家里的关系,更与他自身的才华脱不开干系。这所学校有着优秀的教师资源,学习氛围浓厚,这也为张忠谋之后考入美国哈佛学校打下了坚实的基础。
1949年,张忠谋选择了留学之旅,他以优异的成绩就读哈佛大学。在那个年代,张忠谋是哈佛大学1000多个学生中唯一的华人。
在陌生的环境中接受教育,加上时局特殊,张忠谋一开始并不受同学的待见。但张忠谋并没有在意那些,他始终脚踏实地的学习,很快,他就成了学校的佼佼者。
优秀的人从不会停止自己学习的步伐,正所谓,术业有专攻,哈佛大学的专业已经不能再满足张忠谋的求知欲,1950年,他选择前往麻省理工学院学习机械。
在麻省理工学院,张忠谋像鱼一样找到了专属自己的海洋,痴迷于机械专业的他求知若渴,不仅顺利取得了学士学位,还拿到了硕士学位。
德州就业 台湾创业
1952年,硕士毕业的张忠谋才21岁,可谓是少年有成。即便放在现在的社会,21岁的麻省理工学院硕士毕业生都是个令人羡慕的头衔,更别说当时教育还待普及的年代。令所有人想不到的是,这一年的张忠谋居然选择了组建新家庭,他与第一任妻子正式完婚。
成家后的张忠谋也面临着工作的难题,高文凭的他即便受到各大公司邀约,他仍然选择了半导体行业,继续研究半导体。
1958年,张忠谋进入德州仪器公司工作。专业能力超强的他在事业上可谓是平步青云,不到几年,他就升职了,管理着公司里的3万多名员工。
在事业蓬勃发展的同时,张忠谋也没有放弃学业。硕士毕业的他选择继续深造,1964年,张忠谋获得了斯坦福大学电机工程博士学位,这年,张忠谋才33岁,而他的传奇人生仍在继续。
1972年,在德州仪器公司工作仅14年的张忠谋已经是该公司的副总裁。这时的张忠谋正处于风华正茂的年龄,他的才华与能力,在半导体行业都屈指可数。现在我们用的Intel Inside就是在张忠谋的领导下做的,由此可见,他为半导体行业做出的贡献。
时代的发展,行业竞争的愈演愈烈,张忠谋对德州仪器公司的转型之路并不看好,他毅然选择离职。按照常人的思维,张忠谋已经是该公司的领导阶层,离职并不是个最佳选择。但张忠谋不是常人,他的脑海里早就有了对未来的规划。
1987年,56岁的张忠谋选择创业,他在台湾创办了一家集成电路公司,简称“台积电”。56岁,在一般人看来,是个即将退休的年龄。这个年龄创业的人要么输的一败涂地,要么赢得一个“商业王国”。很显然,张忠谋是后者。
古稀之年 老夫少妻
万事开头难,创业之初,张忠谋也遇到了很多困难,譬如芯片制作成本高,智能手机与电脑还未打开市场等等。这些在张忠谋看来都是可以解决的,芯片制作成本高,他就选择代加工模式。慢慢的,张忠谋创业路上的“绊脚石”越来越少。
张忠谋选择的代加工方式一度引来了很多大企业的青睐,苹果、高通以及英伟达都成了他的客户,业务往来甚多。
在半导体行业,张忠谋创造出一种新的发展模式,台积电改变了整个行业。芯片成本的降低让一些公司把更多的时间放在研究和设计上,推动了半导体行业的进程。
创业成功的张忠谋成为很多创业者心中的榜样,他也受到了广泛的关注。2001年,已经70岁的张忠谋与比他小13岁的张淑芬低调完婚。张忠谋的再婚被多家媒体报道,此时的人们似乎忘记了他在事业上的成就。
张淑芬不仅是张忠谋的秘书,她的前夫还是张忠谋的下属。这对老夫少妻被很多人不看好,很多人都猜测张淑芬是为了钱财才选择嫁给已经古稀之年的张忠谋。但感情的事情谁又猜得透呢?
在婚姻中,没有对错之分。此时的张忠谋早已与第一任妻子分居30多年,昔日夫妻情感荡然无存,离婚后的他有权选择自己的伴侣。
而张淑芬已经恢复单身,在爱情面前,年龄从来都不是障碍。窈窕淑女,君子好逑。迄今为止,张忠谋与妻子张淑芬的生活仍处于甜蜜状态。
耄耋之年退休 “半导体教父”
张忠谋曾是德州仪器的副总裁,早已积累了几十年的管理经验。在这种情况下,张忠谋的公司规模越来越大。再次组建家庭的张忠谋想把所有精力都放在家人身上,于是,他曾选择暂时离开台积电。
可谁也没想到,2009年金融风暴的发生,他创办的台积电一度亏损。公司面临破产之际,张忠谋再次回归,凭着一己之力,一挽狂澜。后来,在他的管理下,台积电由亏转盈。
2018年,台积电的利润就有900亿元新台币,是台湾上市公司中盈利能力最强的企业。
2018年的6月5日,对台积电来说是个重大的日子,这一天,88岁的张忠谋正式对外宣布离职。从56岁开始创业,耄耋之年才选择退休,张忠谋在半导体行业创造了很多奇迹。
目前为止,台积电已经成为全球市值超过2万亿元的半导体公司,张忠谋心中所想的“商业王国”如他所愿,最终建成。因此,他也被媒体誉为台湾“半导体教父”。
许多人佩服张忠谋56岁还有创业的勇气,实际上,这不是勇气,而是一种自信。
张忠谋学有所成,工作经验丰富,加上时代的发展,他掌握了商机,张忠谋对自己的能力有着十足的信心,所以也就不会惧怕年龄造成的阻碍。
张忠谋,在战乱中成长,异国求学的他也曾遇到过种种困难,好在他克服了。张忠谋在学业与工作上的成就,按现在的话来说,就是一路开挂的人生。
开挂的人生确实令人羡慕,在羡慕的同时,扪心自问一下,我们是否拥有张忠谋那样的求知欲与勤恳的态度,他的成功不可复制。
欢迎分享,转载请注明来源:内存溢出
评论列表(0条)