Od „jednoduchých“ domácích spotřebičů a počítačů po solární články, tranzistory s efektem pole a drony
Jasným lídrem v tomto odvětví je nyní křemík.Není ale vhodný pro všechna zařízení, navíc fyzikální vlastnosti polovodiče omezují možnosti další miniaturizace a zvyšování výkonu čipů a vytváření flexibilních zařízení. Naštěstí existují i jiné alternativní materiály.
Řekneme si, jak polovodiče fungují a coexistují slibné alternativy křemíku pro vytvoření mikroelektroniky. Více o trhu obecně si můžete přečíst v červencovém vydání přehledu o robotice „Mikroelektronika. Čím méně, tím lépe“, připravila Innopolis University.
Co je to polovodič
Polovodič je materiál, který podle svých specifikvodivost je mezi vodiči a dielektrikem. Typicky je to krystalická pevná látka. Za určitých podmínek vede elektřinu, takže je ideální pro řízení toku proudu.
Chování polovodičů v normálním stavublokuje jej malý nebo žádný proud. Ale se zvýšením teploty nebo pod vlivem světla začnou lépe přenášet elektrické náboje. Také vodivost polovodičů se při vnesení nečistoty mění – tento proces se nazývá doping.
Důležitý rozdíl mezi polovodičem a vodičemspočívá v tom, že proud v něm nenesou jen elektrony, ale i po nich zanechaná volná místa – díry. Díry zbývající ve valenčním pásmu mohou být obsazeny elektrony z nižších energetických stavů a přispívat tak k toku proudu.
Jednou z klíčových vlastností polovodiče jeje pohyblivost nosičů náboje (elektronů a děr). Jedná se o koeficient, který ukazuje vztah mezi průměrnou rychlostí částice a aplikovaným vnějším elektrickým polem. Pohyblivost elektronů a děr může být různá, například v křemíku při pokojové teplotě se záporně nabité částice pohybují téměř třikrát rychleji než kladné.
Kromě toho se polovodiče liší šířkouzakázané zóny. To je minimální energie potřebná k přesunu elektronu z valenčního pásma do vodivostního pásma. Pro kovy a jiné polovodiče se rovná 0 a při dosažení úrovně 4 eV nebo více se materiál stává dielektrikem.
Další důležitou vlastností polovodičů je tepelná vodivost. Ukazuje, jak rychle a snadno bude možné odstranit teplo z komponent, aby bylo zařízení chráněno před přehřátím.
Křemík
Křemík je na druhém místě za uhlíkemhojnost chemického prvku na Zemi. Jeho hlavní výhodou je, že se snadno těží, s krystaly křemíku se poměrně snadno pracuje a poskytují celkově dobré elektrické a mechanické vlastnosti. I přes relativně nízkou mobilitu elektronů a děr zůstává optimálním materiálem pro mikroelektronickou výrobu.
Další výhodou je, že kdypři použití v integrovaných obvodech tvoří vysoce kvalitní oxid křemíku, který působí jako izolační vrstva mezi různými aktivními prvky.
Pro zvýšení hustoty prvků arychlost integrovaných obvodů, používají se kombinace prvků monokrystalického a polykrystalického křemíku. A pro zvýšení vodivosti polykrystalického křemíku je dopován.
Křemíkové polovodiče jsou široce používánytvorba integrovaných obvodů, bipolárních a polních tranzistorů, nábojově vázaných zařízení, vysokorychlostních fotodiod a mnoha dalších zařízení. A produkty na bázi křemíku, jako jsou super-junction MOSFET nebo IGBT, lze použít v širokém rozsahu napětí (od jednotek až po několik stovek voltů) a v různých třídách výkonu.
Germanium
Žijeme v „křemíkové“ éře a možnáMůže se zdát, že mikroelektronika začala s tímto materiálem, ale germanium bylo první. Byl použit v mnoha raných zařízeních, od radarových detekčních diod po první tranzistory. Do konce 60. let byl hlavním polovodičem používaným v elektronických zařízeních a teprve na počátku 70. let byl nahrazen křemíkem.
Nový "šampion" je mnohem běžnějšíJe levnější na výrobu a má širší bandgap a lepší tepelnou vodivost. Germanium má ale i svou výhodu: nosiče náboje v tomto materiálu jsou mnohem mobilnější.
Například při teplotě 300 K (asi 27 °C) se elektrony v „prvním“ polovodiči pohybují téměř třikrát rychleji než elektrony křemíku a díry se pohybují téměř čtyřikrát rychleji.
I když germanium není vhodné pro modernímikroelektronika, díky těmto vlastnostem se stále používá v některých RF zařízeních. Používá se například k vytváření mikrovlnných zařízení, audio zařízení a také nízkoenergetických a přesných zařízení.
arsenid gallia
Na druhém místě je arsenid galliadnes běžně používaný polovodič. Na rozdíl od křemíku a germania je arsenid galia sloučenina, nikoli prvek, a získává se spojením trojmocného galia s arsenem, který má pět valenčních elektronů.
Velká bandgap a vysokáMobilita elektronů způsobuje, že zařízení s arsenidem galia rychle reagují na elektrické signály, díky čemuž je tato sloučenina vhodná pro zesilování vysokofrekvenčních signálů. Navíc tento materiál prokázal svou účinnost při vysokých teplotách a dobrou odolnost vůči záření.
Gallium arsenid byl dlouho používán vmikroelektronika, takže výroba zařízení na ní založených je odladěna. Díky svým speciálním vlastnostem se materiál používá především k vytváření mikrovlnných mikroelektronických zařízení: digitálních a analogových integrovaných obvodů, diskrétních tranzistorů s efektem pole a Gunnových diod, které pracují bez p-n přechodu na úkor vlastních zdrojů materiálu. Kromě toho se mikroobvody na bázi arsenidu galia používají při výrobě mobilních telefonů, mikrovlnných zařízení, satelitních komunikačních zařízení a některých radarových systémů.
Je to však křehký materiál s méněmobilitu otvorů než křemík, což znemožňuje vytvářet zařízení, jako jsou například tranzistory CMOS, vysokorychlostní a energeticky úsporné elektronické obvody. Je také poměrně obtížné vyrobit, což zvyšuje náklady na zařízení s arsenidem galia. A má poměrně nízkou tepelnou vodivost, což zvyšuje riziko přehřátí zařízení.
Materiály budoucnosti
— Diamanty
Diamant má zakázané pásmo větší než 3 eV, takže podle definice je to dielektrikum. Když se však přidají nečistoty, z drahokamu se stane polovodič.
Teoreticky diamantový polovodičZařízení mají vynikající fyzikální vlastnosti, včetně vysoké tepelné vodivosti, intenzity průrazného pole a mobility nosiče. To výrazně sníží ztráty, rychle odvede teplo a zvýší životnost zařízení. Kromě toho může pracovat s 50 000krát vyšším výkonem a energetickou účinností křemíkových zařízení a 1200krát vyšší frekvencí.
Nicméně pro průmyslové aplikace v elektronicePolovodičová zařízení vyžadují vysoce kvalitní diamantové destičky velkých rozměrů. I když pokusy o vytvoření diamantových nástrojů probíhají již řadu let. Dosud nebyly vyřešeny problémy spojené s legováním a zpracováním materiálu.
— Grafen
Grafen je dvourozměrná alotropní modifikaceuhlík. Grafen má potenciál překonat křemík jako všestranný polovodičový materiál, předpovídá McKinsey, ale může trvat až 25 let, než dojde k rozsáhlé komercializaci.
Klíčovou vlastností tohoto materiálu je pružnost,lze z něj tedy vyrábět různá složitá zařízení. Tento materiál je považován za perspektivní pro jeho další využití a po celém světě existují celé ústavy, které se věnují výzkumu a vývoji v oblasti grafenu.
Může být užitečný v různých odvětvích:od moderních energetických sítí a alternativní energie až po biomedicínu. V mikroelektronice lze grafen použít v ultracitlivých mikroprocesorech, prvcích kvantových počítačů a senzorech s extrémními parametry.
— Arsenid boritý
Ještě v červenci 2022 výzkumníciz MIT řekli, že našli nejlepší známý polovodič. Ukázalo se, že jde o kubický arsenid boru. Tento materiál je sloučeninou arsenu a boru.
Jeho tepelná vodivost je 10krát větší než ukřemík Navíc, na rozdíl od posledně jmenovaného a arsenidu galia, vykazuje polovodič na bázi boru vysokou mobilitu nejen pro elektrony, ale také pro díry.
I když vědci říkají, že tento materiálpotenciálně může nahradit křemík, ale stejně jako u grafenu je to stále velmi daleko. Například nejprve musíte vyvinout levné způsoby, jak tento materiál vyrábět s vysokou kvalitou.
Navzdory vysoké popularitě a účinnostikřemíkové polovodiče, jsou zapotřebí analogy. Výrobci jsou k tomu tlačeni dvěma faktory najednou. Za prvé, technologie téměř dosáhla hranice, za kterou už nebude možné vytvářet stále menší a výkonnější zařízení. A za druhé, neustálý nárůst poptávky po křemíku vede k jeho zdražování.
Výrobní krize, která vznikla během pandemiekoronavirus ukázal, jak nebezpečné je spoléhat se na jediný zdroj. Firmy a vědci po celém světě proto pracují na vytvoření alternativy. Přesto lze předpokládat, že vzhledem k levnosti, dostupnosti a zaběhnuté výrobě křemíkových součástek bude tento materiál ještě nějakou dobu zastávat přední místo v mikroelektronice.
Přečtěte si více:
„Toto je sci-fi“: vědci vytvářejí zásadně nový typ kvantových počítačů
Co jsou supergeny a jak dělají zvířata tak divná
ISS „vystřeluje“ laserové paprsky na Zemi: proč je to potřeba a jak to funguje