От "прости" домакински уреди и компютри до слънчеви клетки, транзистори с полеви ефекти и дронове
Очевидният лидер в индустрията в момента е силиций.Не за всички устройства, в допълнение, физическите свойства на границата на полупроводникавъзможности за по-нататъшно миниатюризиране и увеличаване на мощността на чиповете и създаване на гъвкави устройства.За щастие има и други алтернативни материали.
Казваме ви как работят полупроводниците и каквоима обещаващи алтернативи на силиция за създаване на микроелектроника. Можете да прочетете повече за пазара като цяло в юлския брой на сборника за роботика „Микроелектроника. Колкото по-малко, толкова по-добре”, подготвен от Innopolis University.
Какво е полупроводник
Полупроводникът е материал, който според спецификата сипроводимостта заема междинно положение между проводниците и диелектриците. Обикновено това е кристално твърдо вещество. Той провежда електричество при определени условия, което го прави идеален за контролиране на потока на ток.
Полупроводниците в тяхното нормално състояние провеждатслаб или никакъв ток, който да го блокира. Но с повишаване на температурата или под действието на светлината те започват да предават по-добре електрически заряди. Също така, проводимостта на полупроводниците се променя, когато се въведе примес - този процес се нарича допинг.
Важна разлика на полупроводника е, че токът в него се пренася не само от електрони, но и от оставените от тях свободни места – дупки.Дупките, останали във валентната лента, могат да бъдат заети от електрони от по-ниски енергийни състояния и по този начин да допринесат за потока на тока.
Една от основните характеристики на полупроводника ее подвижността на носителите на заряд (електрони и дупки). Това е коефициент, който показва връзката между средната скорост на частиците и приложеното външно електрическо поле. Подвижността на електроните и дупките може да бъде различна, например в силиций при стайна температура отрицателно заредените частици се движат почти три пъти по-бързо от положителните.
Освен това полупроводниците се различават по шириназабранена зона. Това е минималната енергия, необходима за преместване на електрон от валентната зона към зоната на проводимост. За метали и други полупроводници то е равно на 0 и когато достигне ниво от 4 eV или повече, материалът става диелектрик.
Друга важна характеристика на полупроводниците е топлопроводимостта. Той показва колко бързо и лесно ще бъде възможно да се премахне топлината от компонентите, за да се предпази устройството от прегряване.
Силиций
Силицият е на второ място след въглерода по отношение наизобилие от химически елемент на Земята. Основното му предимство е, че е лесен за добив, силициевите кристали са относително лесни за работа и осигуряват добри общи електрически и механични свойства. Дори въпреки относително ниската мобилност на електрони и дупки, той остава оптималният материал за микроелектронно производство.
Друго предимство е, че когатокогато се използва в интегрални схеми, образува висококачествен силициев оксид, който действа като изолационен слой между различни активни елементи.
За увеличаване на плътността на елементите искорост на интегралните схеми се използват комбинации от елементи от монокристален и поликристален силиций. И за да се увеличи проводимостта на поликристалния силиций, той е легиран.
Силициевите полупроводници се използват широко засъздаване на интегрални схеми, биполярни и полеви транзистори, устройства със зарядна връзка, високоскоростни фотодиоди и много други устройства. А базираните на силиций продукти, като MOSFET със супер преход или IGBT, могат да се използват в широк диапазон от напрежения (от няколко до няколкостотин волта) и в различни класове мощност.
Германий
Живеем в ерата на "силиция" и може да изглежда, че микроелектрониката започва с този материал, но германий е първият.Той е бил използван в много ранни устройства: диоди за откриване на радар преди първите транзистори.До края на 60-те години той е основният полупроводник, използван в електронните устройства, а едва в началото на 70-те години е заменен от силиций.
Новият "шампион" е много по-често срещан, по-евтин за производство и има по-широка честотна лента и по-добра топлопроводимост.Но германий също има своето предимство: носителите на заряд в този материал са много по-мобилни.
Например при температура от 300 K (около 27°C) електроните в „първия“ полупроводник се движат почти три пъти по-бързо от тези на силиция, а дупките се движат почти четири пъти по-бързо.
Въпреки че германият не е подходящ за модернимикроелектроника, поради тези свойства все още се използва в някои радиочестотни устройства. Например, той се използва за създаване на микровълнови устройства, аудио оборудване, както и нискомощно и прецизно оборудване.
галиев арсенид
Галиевият арсенид е вторият по големинаобикновен полупроводник, използван днес. За разлика от силиция и германия, галиевият арсенид е съединение, а не елемент и се получава чрез комбиниране на тривалентен галий с арсен, който има пет валентни електрона.
Голяма забранена лента и високаПодвижността на електроните кара устройствата с галиев арсенид да реагират бързо на електрически сигнали, което прави това съединение подходящо за усилване на високочестотни сигнали. В допълнение, този материал е показал своята ефективност при високи температури и добра устойчивост на радиация.
Галиевият арсенид отдавна се използва вмикроелектроника, така че производството на устройства, базирани на нея, е отстранено. Поради специалните си свойства, материалът се използва главно за създаване на микровълнови микроелектронни устройства: цифрови и аналогови интегрални схеми, дискретни полеви транзистори и диоди на Гън, които работят без p-n преход за сметка на собствените средства на материала. В допълнение, базираните на галиев арсенид микросхеми се използват в производството на мобилни телефони, микровълнови устройства, сателитни комуникационни устройства и някои радарни системи.
Въпреки това, той е крехък материал с по-малкомобилност на дупки от силиций, което прави невъзможно създаването на устройства като например CMOS транзистори, високоскоростни и енергоспестяващи електронни схеми. Освен това е сравнително трудно да се произведе, което увеличава цената на устройствата с галиев арсенид. И има доста ниска топлопроводимост, което увеличава риска от прегряване на устройствата.
Материали на бъдещето
-Диаманти
Честотната лента на диаманта е по-голяма от 3 eV, така че по дефиниция това е диелектрик.Въпреки това, когато се добавят примеси, скъпоценният камък се превръща в полупроводник.
Теоретично диамантен полупроводникУстройствата имат отлични физически свойства, включително висока топлопроводимост, сила на пробивното поле и подвижност на носителя. Това значително ще намали загубите, бързо ще разсее топлината и ще увеличи експлоатационния живот на устройствата. В допълнение, той може да работи с изходна мощност и енергийна ефективност 50 000 пъти по-високи от силициевите устройства и 1200 пъти по-висока честота.
Въпреки това, за промишлени приложения в електроникатаПолупроводниковите устройства изискват висококачествени диамантени пластини с голям размер. Въпреки че опитите за създаване на диамантени инструменти продължават от много години. Досега проблемите, свързани с легирането и обработката на материала, не са решени.
— Графен
Графенът е двуизмерна алотропна модификациявъглерод. Графенът има потенциала да надмине силиция като универсален полупроводников материал, прогнозира McKinsey, но може да отнеме до 25 години преди широкото комерсиализиране.
Основната характеристика на този материал е гъвкавостта,следователно от него могат да се произвеждат различни сложни устройства. Този материал се счита за обещаващ за по-нататъшното му използване и има цели институти по света, посветени на изследванията и разработките в областта на графена.
Може да бъде полезен в различни индустрии:от модерни енергийни мрежи и алтернативна енергия до биомедицина. В микроелектрониката графенът може да се използва в ултрачувствителни микропроцесори, елементи на квантови компютри и сензори с екстремни параметри.
— Борен арсенид
Още през юли 2022 г. изследователитеот MIT казаха, че са открили най-добрия познат полупроводник. Оказа се кубичен борен арсенид. Този материал е съединение на арсен и бор.
Неговата топлопроводимост е 10 пъти по-голяма от тази насилиций Освен това, за разлика от последния и галиевия арсенид, базираният на бор полупроводник демонстрира висока мобилност не само за електрони, но и за дупки.
Въпреки че учените казват, че този материалпотенциално може да замени силиция, но, както и при графена, това все още е много далеч. Например, първо трябва да разработите евтини начини за производство на този материал с високо качество.
Въпреки високата популярност и ефективностсилициеви полупроводници, необходими са аналози. Производителите са тласкани към това от два фактора едновременно. Първо, технологията почти е достигнала граница, отвъд която ще бъде невъзможно да се създават все по-малки и по-мощни устройства. И второ, постоянното увеличаване на търсенето на силиций води до поскъпването му.
Производствената криза, възникнала по време на пандемиятакоронавирус показа колко опасно е да се разчита на един източник. Затова компании и учени от цял свят работят за създаването на алтернатива. Въпреки това може да се предположи, че поради евтиността, достъпността и добре установеното производство на силициеви устройства, този материал ще заеме водеща позиция в микроелектрониката за известно време.
Прочетете още:
„Това е научна фантастика“: учените създават фундаментално нов тип квантови компютри
Какво представляват супергените и как правят животните толкова странни
МКС "изстрелва" лазерни лъчи към Земята: защо е необходимо и как работи