Silicon là gì, và tại sao chip máy tính được làm từ nó?

Đó có vẻ như là một câu hỏi ngớ ngẩn, một câu hỏi có thể được trả lời chỉ trong vài từ ngắn gọn: Silicon là nguyên tố thứ 14 trên Bảng tuần hoàn. Nó là một trong những thành phần cơ bản của vũ trụ, một proton nặng hơn nhôm, một proton nhẹ hơn phốt pho. Tuy nhiên, silicon, hơn hầu hết các thành phần khác, xuất hiện quá thường xuyên trên một trang web như 2007es.com - nó là thành phần chính trong vật liệu xây dựng tạo nên ngôi nhà của bạn, nó là cơ sở của tất cả các bộ vi xử lý máy tính hiện tại và thậm chí là ứng cử viên có khả năng làm nền tảng cho sự sống ngoài hành tinh, không dựa trên carbon. Chính xác thì điều gì làm cho silicon trở nên đặc biệt?

Chà, rất nhiều thứ.



Silicon làm khối xây dựng



Điều quan trọng nhất trong số các đặc điểm phân biệt của silicon là, khá đơn giản, có rất nhiều thứ. Sau oxy, nó là nguyên tố dồi dào thứ hai trong vỏ Trái đất - nhưng đừng mong đợi tìm thấy nó chỉ nằm xung quanh. Silicon hầu như không bao giờ được tìm thấy ở trạng thái tinh khiết trong tự nhiên, và hầu như luôn luôn xuất hiện dưới dạng hợp chất với các nguyên tố khác. Nó thường được tìm thấy nhất dưới dạng silicat (SiO4, Hoặc một nguyên tử silicon liên kết với bốn nguyên tử oxy) và silica (SiOhai, hoặc một nguyên tử silic liên kết với hai nguyên tử oxy). Silica, ở dạng thô và bị ô nhiễm cao, là thành phần chính của cát. Fenspat, đá granit, thạch anh, và nhiều hơn nữa đều dựa trên các hợp chất silic-oxy.

Trộn hỗn hợp này với nước và sỏi, và bạn

Trộn hỗn hợp này với nước và sỏi, bạn sẽ có bê tông.



Các hợp chất silic có nhiều đặc tính hữu ích, chủ yếu là vì chúng có thể liên kết các nguyên tử khác rất chặt chẽ, và trong các sắp xếp phức tạp. Các loại silicat khác nhau, như silicat canxi, là thành phần chính của xi măng poóc lăng, chất kết dính chính trong bê tông, vữa và thậm chí cả vữa. Một số vật liệu giàu silicat có thể được nung nóng để tạo ra gốm cứng như sứ, trong khi những vật liệu khác sẽ nung chảy để tạo thành dạng thủy tinh chính trên thế giới, thủy tinh soda-vôi. Và silicon cũng có thể hữu ích như một chất phụ gia vi lượng trong các chất khác, như gang, sử dụng cả carbon và silicon để làm cho sắt đàn hồi hơn và ít giòn hơn.

Và, vâng, silicon cũng là thành phần cấu trúc chính của silicone vật liệu tổng hợp, nhưng đừng nhầm lẫn giữa hai điều này - nếu đó thực sự là Thung lũng Silicone, thì thế giới công nghệ là một nơi rất khác so với chúng ta ngày nay.

Silicon làm chip máy tính



Khi chọn một phần tử để sử dụng làm cơ sở của bóng bán dẫn máy tính, từ khóa là điện trở. Chất dẫn điện có điện trở thấp và dòng điện đi qua rất dễ dàng, trong khi chất cách điện có điện trở cao (có thể dự đoán được) và làm chậm hoặc chặn dòng điện của các electron. Đối với một bóng bán dẫn, phải có thể bật tắt theo ý muốn, chúng tôi yêu cầu một nửa- chất dẫn điện, chất có điện trở giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Các chất bán dẫn tốt nhất cho ngành công nghiệp có thể được xử lý bằng nhiều loại “chất chống thấm” để điều chỉnh tinh vi điện trở của chúng, nếu cần.

Một tinh thể silicon tinh khiết, được gọi là thỏi.

Một tinh thể silicon tinh khiết, được gọi là thỏi.

Silicon không phải là chất bán dẫn duy nhất trên Trái đất - nó thậm chí không phải là chất bán dẫn tốt nhất trên Trái đất. Cho đến nay, nó là chất bán dẫn phong phú nhất trên Trái đất. Silicon luôn có sẵn trên toàn thế giới; bạn không cần phải nhập khẩu nó từ các mỏ đặc biệt của Châu Phi hoặc thực hiện hàng tháng trời xử lý ô nhiễm và tốn kém chỉ để có được một ít. Nó rất dễ làm việc và quan trọng nhất là các nhà khoa học đã đưa ra những cách đáng tin cậy để phát triển nó thành các tinh thể có trật tự hoàn hảo. Những tinh thể này đối với silic như kim cương đối với cacbon.

Nuôi cấy các tinh thể silicon khổng lồ, gần như hoàn hảo là một trong những kỹ năng chính trong sản xuất chip máy tính hiện đại. Những tinh thể này sau đó được cắt thành các tấm mỏng, sau đó được khắc, xử lý và xử lý theo nhiều cách khác nhau, đôi khi là hàng trăm cách khác nhau trước khi được cắt hạt lựu vào khuôn riêng lẻ và đóng gói vào các bộ xử lý thương mại. Có thể tạo ra các bóng bán dẫn cao cấp từ những thứ như carbon và thậm chí là các vật liệu kỳ lạ hơn như germani, nhưng không loại nào trong số chúng cho phép loại silicon sản xuất hàng loạt cho phép tăng trưởng tinh thể lớn - ít nhất là chưa.

Hiện tại, các tinh thể silicon (được gọi là “thỏi”) được tạo ra trong các hình trụ có đường kính 300 mm, nhưng nghiên cứu đang tiến nhanh đến ngưỡng 450 mm. Điều đó sẽ giúp giảm chi phí sản xuất và do đó để tốc độ tiếp tục tăng lên, trong ít nhất một thập kỷ nữa hoặc lâu hơn. Sau đó? Cuối cùng, có thể không còn lựa chọn nào khác ngoài việc từ bỏ silicon cho một thứ kém phong phú và dễ làm việc - một tin tốt cho tốc độ xử lý, nhưng gần như chắc chắn là một tin xấu cho ví của bạn.

Silicon như sự sống ngoài hành tinh

silicon 5

Cụm từ “cuộc sống dựa trên carbon” được dùng rất nhiều, nhưng nó thực sự có nghĩa là gì? Nó có nghĩa là các phân tử cấu trúc cốt lõi tạo nên cơ thể chúng ta (protein, axit amin, axit nucleic, axit béo, v.v.) được xây dựng trên bộ xương của các nguyên tử cacbon. Đó là bởi vì cacbon có đặc tính tuyệt vời là “hóa trị bốn”. Oxy chỉ có thể hình thành hai liên kết hóa học bền cùng một lúc (do đó dẫn đến nước, hay HhaiO), và nitơ chỉ có ba (do đó dẫn đến amoniac, hoặc NH3), Nhưng carbon có thể giữ ổn định lên đến bốn nguyên tử khác nhau cùng một lúc (do đó cho chúng ta mêtan, hoặc CH4). Tetravalency là cơ sở mạnh mẽ để xây dựng các phân tử vừa mạnh mẽ vừa phức tạp về mặt hình học, và bộ đôi đặc tính hóa học đó đã cho phép sự tiến hóa của tất cả sự sống hiện được biết đến trong vũ trụ.

Star Trek

Star Trek‘S Horta được cho là dựa trên silicon.

Tuy nhiên, nếu chúng ta biết cách tổ chức Bảng tuần hoàn, chúng ta biết rằng các nguyên tố trong một cột dọc có các tính chất hóa học tương tự - và ngay bên dưới cacbon, là silic. Đây là lý do tại sao các tác giả khoa học viễn tưởng đã dành rất nhiều thời gian và giấy mực cho ý tưởng về sự sống dựa trên silicon; Bản thân nó là hóa trị bốn, silic là thành phần cấu trúc thay thế hợp lý nhất trong các dạng sống hoàn toàn mới. Silicon cũng rất vui khi liên kết mạnh mẽ với các nguyên tử silicon khác (giống như carbon với carbon) và do đó có thể khóa kép một số cấu trúc nhất định vào đúng vị trí. Cả hai đều được cho là rất quan trọng để cho phép sự sống phát triển.

Tất nhiên, với việc silic có nhiều trên Trái đất hơn nhiều so với cacbon, phải có một lý do nào đó mà chúng ta là hữu cơ (dựa trên cacbon), chứ không phải dựa trên silic - và lý do đó quay trở lại Bảng tuần hoàn. Không đi vào quá chi tiết, các nguyên tố nằm thấp hơn theo chiều thẳng đứng trên Bảng tuần hoàn có hạt nhân nặng hơn và lớp vỏ electron lớn hơn; silic lớn hơn và nặng hơn về mặt vật lý so với cacbon, làm cho nó ít phù hợp hơn với các nhiệm vụ siêu mịn như DNA tái tổ hợp chẳng hạn. Silicon cũng ít phản ứng hơn so với carbon, có nghĩa là sự sống dựa trên silicon có thể ít đa dạng hơn về mặt hóa học, hoặc đòi hỏi một loạt các enzym silicon điều khiển phản ứng rộng hơn nhiều để buộc các hợp chất ít mong muốn về mặt hóa học tồn tại hơn.

Thực tế là tất cả sự sống trên Trái đất đều là hữu cơ, mặc dù số nguyên tử silicon của hành tinh nhiều hơn số nguyên tử cacbon gần một nghìn một phần, có thể là một dấu hiệu cho thấy khả năng điều đó xảy ra ở những nơi khác trong vũ trụ. Ở đây có rất nhiều loài sử dụng silicon ở mức độ này hay cách khác, nhưng không loài nào sử dụng nó làm thành phần cấu trúc của DNA. Cuộc sống dựa trên silicon chắc chắn là có thể, nhưng nếu nó tồn tại thì rất có thể nó sẽ không bao giờ có thể tiến triển đến mức độ phức tạp mà carbon đã cho phép ngay tại nhà.

Silicon và bạn

Silicon sẽ tiếp tục xuất hiện trong nguồn cấp dữ liệu tin tức của bạn trong nhiều năm tới. Ngay cả khi một số người coi carbon và các nguyên tố không phải silicon khác làm nền tảng cho máy tính thế hệ tiếp theo, điều này sẽ cần thiết nếu chúng ta muốn tiếp tục xu hướng lịch sử hàm mũ về sức mạnh tính toán, silicon vẫn là chất được lựa chọn trong nhiều lĩnh vực. Liệu chúng ta có tìm ra những cách mới và thú vị để kiểm soát việc xử lý các electron của nó không? Có lẽ. Liệu chúng ta có thấy rằng nó làm nền tảng cho tất cả sự sống trong vũ trụ, ngoại trừ sự sống đã tiến hóa trên Trái đất? Có lẽ là không, mặc dù có thể. Ít nhất, chúng ta không ở đâu gần từ bỏ việc sử dụng nó như một nguồn cung cấp xây dựng, vì các hợp chất silic là cơ sở cho đá tạo nên phần lớn vỏ Trái đất.

Có thể chúng ta sắp bỏ lại silicon - nhưng 20 năm trước cũng không kém. Trong tất cả các khả năng, nó sẽ tiếp tục là một trong những chất quan trọng nhất đối với sự tiến bộ của con người làm chủ thế giới vật chất.

Copyright © Đã Đăng Ký BảN QuyềN | 2007es.com