من الأجهزة المنزلية وأجهزة الكمبيوتر "البسيطة" إلى الخلايا الشمسية والترانزستورات ذات التأثير الميداني والطائرات بدون طيار
الرائد الواضح في الصناعة الآن هو السيليكون.ولكنها ليست مناسبة لجميع الأجهزة، بالإضافة إلى ذلك، فإن الخصائص الفيزيائية لأشباه الموصلات تحد من إمكانيات التصغير وزيادة قوة الرقائق وإنشاء أجهزة مرنة. ولحسن الحظ، هناك مواد بديلة أخرى.
نخبرك كيف تعمل أشباه الموصلات وماذاهناك بدائل واعدة للسيليكون لإنتاج الإلكترونيات الدقيقة. يمكنك قراءة المزيد عن السوق بشكل عام في عدد يوليو من ملخص حول الروبوتات “Microelectronics. الأقل ، الأفضل "، من إعداد جامعة إنوبوليس.
ما هو أشباه الموصلات
أشباه الموصلات هي مادة حسب نوعيتهاالموصلية تحتل موقعًا وسيطًا بين الموصلات والعوازل الكهربائية. عادة ، هو مادة صلبة بلورية. توصل الكهرباء في ظل ظروف معينة ، مما يجعلها مثالية للتحكم في تدفق التيار.
أشباه الموصلات في سلوكها الطبيعيقليل أو لا يوجد تيار يمنعه. ولكن مع زيادة درجة الحرارة أو تحت تأثير الضوء ، يبدأون في نقل الشحنات الكهربائية بشكل أفضل. أيضًا ، تتغير موصلية أشباه الموصلات عند ظهور شوائب - وتسمى هذه العملية بالمنشطات.
فرق مهم بين أشباه الموصلات والموصليكمن في حقيقة أن التيار الموجود فيه لا يحمله الإلكترونات فحسب، بل أيضًا عن طريق الشواغر التي تركتها - الثقوب. الثقوب المتبقية في نطاق التكافؤ يمكن أن تشغلها إلكترونات من حالات طاقة منخفضة وبالتالي تساهم في تدفق التيار.
واحدة من الخصائص الرئيسية لأشباه الموصلات هيهي تنقل حاملات الشحنة (الإلكترونات والثقوب). هذا معامل يوضح العلاقة بين متوسط سرعة الجسيمات والمجال الكهربائي الخارجي المطبق. يمكن أن تختلف حركة الإلكترونات والثقوب ، على سبيل المثال ، في السيليكون عند درجة حرارة الغرفة ، تتحرك الجسيمات سالبة الشحنة أسرع بثلاث مرات تقريبًا من الجسيمات الموجبة.
بالإضافة إلى ذلك ، يختلف عرض أشباه الموصلاتمنطقة ممنوعة. هذا هو الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتحريك إلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل. بالنسبة للمعادن وأشباه الموصلات الأخرى ، فهي تساوي 0 ، وعندما تصل إلى مستوى 4 فولت أو أكثر ، تصبح المادة عازلة للكهرباء.
السمة المهمة الأخرى لأشباه الموصلات هي التوصيل الحراري. يوضح مدى سرعة وسهولة إزالة الحرارة من المكونات لحماية الجهاز من ارتفاع درجة الحرارة.
السيليكون
السيليكون في المرتبة الثانية بعد الكربون من حيثوفرة عنصر كيميائي على الأرض. ميزته الرئيسية هي أنه من السهل التعدين ، بلورات السيليكون سهلة الاستخدام نسبيًا ، وتوفر خصائص كهربائية وميكانيكية جيدة بشكل عام. على الرغم من الحركة المنخفضة نسبيًا للإلكترونات والثقوب ، فإنها تظل المادة المثلى للإنتاج الإلكتروني الدقيق.
ميزة أخرى هي أن متىعند استخدامه في الدوائر المتكاملة ، فإنه يشكل أكسيد السيليكون عالي الجودة ، والذي يعمل كطبقة عازلة بين العناصر النشطة المختلفة.
لزيادة كثافة العناصر وسرعة الدوائر المتكاملة ، يتم استخدام مجموعات من عناصر أحادية البلورة والسيليكون متعدد الكريستالات. ولزيادة موصلية السيليكون متعدد الكريستالات ، فإنه مخدر.
تستخدم أشباه الموصلات السيليكونية على نطاق واسعإنشاء دوائر متكاملة ، وترانزستورات ثنائية القطب وذات تأثير ميداني ، وأجهزة مقترنة بالشحن ، وثنائيات ضوئية عالية السرعة والعديد من الأجهزة الأخرى. ويمكن استخدام المنتجات القائمة على السيليكون ، مثل MOSFETs فائقة التوصيل أو IGBT ، في نطاق واسع من الفولتية (من بضع إلى عدة مئات من الفولتات) وفي فئات طاقة مختلفة.
الجرمانيوم
نحن نعيش في عصر "السيليكون"، وربماقد يبدو أن الإلكترونيات الدقيقة بدأت بهذه المادة، لكن الجرمانيوم كان الأول. تم استخدامه في العديد من الأجهزة المبكرة، بدءًا من الثنائيات للكشف عن الرادار وحتى الترانزستورات الأولى. حتى نهاية الستينيات، كان هو أشباه الموصلات الرئيسية المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية، ولم يتم استبداله بالسيليكون إلا في أوائل السبعينيات.
"البطل" الجديد أكثر شيوعًاإنه أرخص في الإنتاج وله فجوة نطاق أوسع وموصلية حرارية أفضل. لكن الجرمانيوم له أيضًا ميزته: فحاملات الشحنة في هذه المادة أكثر قدرة على الحركة.
على سبيل المثال ، عند درجة حرارة 300 كلفن (حوالي 27 درجة مئوية) ، تتحرك الإلكترونات في شبه الموصل "الأول" أسرع بثلاث مرات تقريبًا من تلك الموجودة في السيليكون ، وتتحرك الثقوب أسرع أربع مرات تقريبًا.
على الرغم من أن الجرمانيوم غير مناسب للحديثالإلكترونيات الدقيقة ، نظرًا لهذه الخصائص ، لا تزال تستخدم في بعض أجهزة الترددات اللاسلكية. على سبيل المثال ، يتم استخدامه لإنشاء أجهزة الميكروويف ، وأجهزة الصوت ، وكذلك المعدات منخفضة الطاقة والدقة.
مركب الزرنيخ
زرنيخيد الغاليوم هو ثاني أكثرأشباه الموصلات الشائعة المستخدمة اليوم. على عكس السيليكون والجرمانيوم ، يعتبر زرنيخيد الغاليوم مركبًا وليس عنصرًا ، ويتم الحصول عليه من خلال الجمع بين الغاليوم ثلاثي التكافؤ والزرنيخ ، الذي يحتوي على خمسة إلكترونات تكافؤ.
فجوة الحزمة كبيرة وعاليةيتسبب تنقل الإلكترون في استجابة أجهزة زرنيخيد الغاليوم بسرعة للإشارات الكهربائية ، مما يجعل هذا المركب مناسبًا لتضخيم الإشارات عالية التردد. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت هذه المادة كفاءتها في درجات الحرارة العالية ومقاومة جيدة للإشعاع.
منذ فترة طويلة يستخدم زرنيخيد الغاليوم فيالإلكترونيات الدقيقة ، لذلك يتم تصحيح إنتاج الأجهزة القائمة عليها. نظرًا لخصائصها الخاصة ، تُستخدم المادة بشكل أساسي لإنشاء أجهزة إلكترونية دقيقة للميكروويف: دوائر متكاملة رقمية وتناظرية ، وترانزستورات ذات تأثير ميداني منفصل وثنائيات Gunn ، والتي تعمل بدون تقاطع pn على حساب أموال المادة الخاصة. بالإضافة إلى ذلك ، تُستخدم الدوائر الدقيقة القائمة على زرنيخيد الغاليوم في تصنيع الهواتف المحمولة وأجهزة الميكروويف وأجهزة الاتصال عبر الأقمار الصناعية وبعض أنظمة الرادار.
ومع ذلك ، فهي مادة هشة مع القليلالتنقل عبر الثقوب مقارنة بالسيليكون ، مما يجعل من المستحيل إنشاء أجهزة مثل ، على سبيل المثال ، ترانزستورات CMOS والدوائر الإلكترونية عالية السرعة والموفرة للطاقة. كما أنه من الصعب نسبيًا تصنيعه ، مما يزيد من تكلفة أجهزة زرنيخيد الغاليوم. ولها موصلية حرارية منخفضة إلى حد ما ، مما يزيد من خطر ارتفاع درجة حرارة الأجهزة.
مواد المستقبل
— الماس
الماس لديه فجوة نطاق أكبر من 3 فولت، لذلك بحكم تعريفه فهو عازل. ومع ذلك، عند إضافة الشوائب، يصبح الحجر الكريم شبه موصل.
نظريا الماس أشباه الموصلاتتتمتع الأجهزة بخصائص فيزيائية ممتازة ، بما في ذلك التوصيل الحراري العالي ، وقوة مجال الانهيار ، وحركة الناقل. سيؤدي ذلك إلى تقليل الخسائر بشكل كبير وتبديد الحرارة بسرعة وزيادة عمر خدمة الأجهزة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تعمل بطاقة خرج وكفاءة طاقة أعلى بـ 50000 مرة من أجهزة السيليكون وتردد أعلى بمقدار 1200 مرة.
ومع ذلك ، للتطبيقات الصناعية في الإلكترونيةتتطلب أجهزة أشباه الموصلات رقائق ماسية عالية الجودة وكبيرة الحجم. على الرغم من أن محاولات إنشاء أدوات الماس مستمرة منذ سنوات عديدة. حتى الآن ، لم يتم حل المشكلات المرتبطة بسبائك ومعالجة المواد.
— الجرافين
الجرافين هو تعديل متآصل ثنائي الأبعادكربون. يتوقع ماكينزي أن الجرافين لديه القدرة على تجاوز السيليكون باعتباره مادة أشباه موصلات متعددة الاستخدامات ، ولكن قد يستغرق الأمر ما يصل إلى 25 عامًا قبل أن يتم تسويقه على نطاق واسع.
السمة الرئيسية لهذه المادة هي المرونة ،لذلك ، يمكن إنتاج العديد من الأجهزة المعقدة منه. تعتبر هذه المادة واعدة لاستخدامها الإضافي ، وهناك معاهد كاملة حول العالم مكرسة للبحث والتطوير في مجال الجرافين.
يمكن أن يكون مفيدًا في مجموعة متنوعة من الصناعات:من شبكات الطاقة الحديثة والطاقة البديلة إلى الطب الحيوي. في الإلكترونيات الدقيقة ، يمكن استخدام الجرافين في المعالجات الدقيقة فائقة الحساسية ، وعناصر أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، وأجهزة الاستشعار ذات المعلمات القصوى.
— زرنيخيد البورون
حتى يوليو 2022، قال الباحثونمن معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قالوا أنهم وجدوا أفضل أشباه الموصلات المعروفة. وتبين أنه زرنيخيد البورون المكعب. هذه المادة عبارة عن مركب من الزرنيخ والبورون.
الموصلية الحرارية أكبر 10 مرات من تلكالسيليكون علاوة على ذلك، وعلى عكس الزرنيخيد الأخير وزرنيخيد الغاليوم، فإن أشباه الموصلات القائمة على البورون تُظهر قدرة عالية على الحركة ليس فقط للإلكترونات، ولكن أيضًا للثقوب.
على الرغم من أن العلماء يقولون أن هذه المادةيحتمل أن يحل محل السيليكون ، ولكن ، كما هو الحال مع الجرافين ، لا يزال هذا بعيدًا جدًا. على سبيل المثال ، تحتاج أولاً إلى تطوير طرق رخيصة لإنتاج هذه المواد بجودة عالية.
على الرغم من الشعبية والفعالية العاليةهناك حاجة لأشباه الموصلات السيليكونية ونظائرها. يتم دفع الشركات المصنعة نحو هذا من خلال عاملين في وقت واحد. أولا، وصلت التكنولوجيا تقريبا إلى الحد الذي سيكون من المستحيل بعده إنشاء أجهزة أصغر حجما وأكثر قوة. وثانياً، تؤدي الزيادة المستمرة في الطلب على السيليكون إلى ارتفاع سعره.
أزمة الإنتاج التي نشأت أثناء الوباءأظهر فيروس كورونا مدى خطورة الاعتماد على مصدر واحد. لذلك ، تعمل الشركات والعلماء حول العالم على إيجاد بديل. ومع ذلك ، يمكن الافتراض أنه بسبب الرخص والتوافر والإنتاج الراسخ لأجهزة السيليكون ، ستحتل هذه المادة مكانة رائدة في الإلكترونيات الدقيقة لبعض الوقت في المستقبل.
قراءة المزيد:
"هذا خيال علمي": ابتكر العلماء نوعًا جديدًا جوهريًا من أجهزة الكمبيوتر الكمومية
ما هي الجينات الفائقة وكيف تجعل الحيوانات غريبة جدًا
محطة الفضاء الدولية "تطلق" أشعة الليزر على الأرض: ما سبب الحاجة إليها وكيف تعمل