Fra "simple" husholdningsapparater og computere til solceller, felteffekttransistorer og droner
Den klare leder i branchen lige nu er silicium.Men det er ikke egnet til alle enheder; desuden begrænser de fysiske egenskaber af halvlederen mulighederne for yderligere miniaturisering og øger styrken af chips og skabelsen af fleksible enheder. Heldigvis findes der andre alternative materialer.
Vi fortæller dig, hvordan halvledere virker og hvadder er lovende alternativer til silicium til fremstilling af mikroelektronik. Du kan læse mere om markedet generelt i juli-udgaven af digest om robotteknologi "Microelectronics. Jo mindre, jo bedre”, udarbejdet af Innopolis University.
Hvad er en halvleder
En halvleder er et materiale, der ifølge sit specifikkeledningsevne indtager en mellemposition mellem ledere og dielektrikum. Typisk er det et krystallinsk fast stof. Den leder elektricitet under visse forhold, hvilket gør den ideel til at kontrollere strømmen.
Halvledere i deres normale tilstandringe eller ingen strøm blokerer den. Men med en stigning i temperaturen eller under påvirkning af lys begynder de bedre at transmittere elektriske ladninger. Også ledningsevnen af halvledere ændres, når en urenhed indføres - denne proces kaldes doping.
Vigtig forskel mellem en halvleder og en lederligger i det faktum, at strømmen i den ikke kun bæres af elektroner, men også af de ledige pladser, der efterlades af dem - huller. Huller, der er tilbage i valensbåndet, kan optages af elektroner fra lavere energitilstande og derved bidrage til strømmen af strøm.
En af de vigtigste egenskaber ved en halvleder erer mobiliteten af ladningsbærere (elektroner og huller). Dette er en koefficient, der viser forholdet mellem den gennemsnitlige partikelhastighed og det påførte eksterne elektriske felt. Mobiliteten af elektroner og huller kan være anderledes, for eksempel i silicium ved stuetemperatur bevæger negativt ladede partikler sig næsten tre gange hurtigere end positive.
Derudover varierer halvledere i breddenforbudt zone. Dette er den mindste energi, der kræves for at flytte en elektron fra valensbåndet til ledningsbåndet. For metaller og andre halvledere er det lig med 0, og når det når et niveau på 4 eV eller mere, bliver materialet et dielektrikum.
En anden vigtig egenskab ved halvledere er termisk ledningsevne. Det viser, hvor hurtigt og nemt det vil være muligt at fjerne varme fra komponenterne for at beskytte enheden mod overophedning.
Silicium
Silicium er næstefter kulstof mhtoverflod af et kemisk grundstof på Jorden. Dens største fordel er, at den er nem at udvinde, siliciumkrystaller er relativt nemme at arbejde med, og giver overordnede gode elektriske og mekaniske egenskaber. Selv på trods af den relativt lave mobilitet af elektroner og huller, forbliver det det optimale materiale til mikroelektronisk produktion.
En anden fordel er, at hvornårnår det bruges i integrerede kredsløb, danner det siliciumoxid af høj kvalitet, som fungerer som et isolerende lag mellem forskellige aktive elementer.
For at øge tætheden af elementer oghastighed af integrerede kredsløb, kombinationer af elementer af enkeltkrystal og polykrystallinsk silicium anvendes. Og for at øge ledningsevnen af polykrystallinsk silicium er det dopet.
Silicium halvledere er meget brugt tilskabelse af integrerede kredsløb, bipolære og felteffekttransistorer, ladningskoblede enheder, højhastighedsfotodioder og mange andre enheder. Og siliciumbaserede produkter, såsom super-junction MOSFET'er eller IGBT'er, kan bruges i en lang række spændinger (fra nogle få til flere hundrede volt) og i forskellige effektklasser.
Germanium
Vi lever i "silicium"-æraen, og måskeDet kan se ud til, at mikroelektronik begyndte med dette materiale, men germanium var det første. Det blev brugt i mange tidlige enheder, fra radardetektionsdioder til de første transistorer. Indtil slutningen af 1960'erne var det den vigtigste halvleder, der blev brugt i elektroniske enheder, og først i begyndelsen af 70'erne blev den erstattet af silicium.
Den nye "mester" er meget mere almindelig, denDet er billigere at producere og har et bredere båndgab og bedre varmeledningsevne. Men germanium har også sin fordel: Ladningsbærerne i dette materiale er meget mere mobile.
For eksempel, ved en temperatur på 300 K (ca. 27°C), bevæger elektronerne i den "første" halvleder sig næsten tre gange hurtigere end siliciums, og hullerne bevæger sig næsten fire gange hurtigere.
Selvom germanium ikke er egnet til modernemikroelektronik, på grund af disse egenskaber bruges den stadig i nogle RF-enheder. For eksempel bruges det til at skabe mikrobølgeenheder, lydudstyr samt laveffekt- og præcisionsudstyr.
galliumarsenid
Galliumarsenid er næstmestalmindelig halvleder i brug i dag. I modsætning til silicium og germanium er galliumarsenid en forbindelse, ikke et grundstof, og opnås ved at kombinere trivalent gallium med arsen, som har fem valenselektroner.
Stort båndgab og højtElektronmobiliteten får galliumarsenid-enheder til at reagere hurtigt på elektriske signaler, hvilket gør denne forbindelse velegnet til at forstærke højfrekvente signaler. Derudover har dette materiale vist sin effektivitet ved høje temperaturer og god modstandsdygtighed over for stråling.
Galliumarsenid har længe været brugt imikroelektronik, så produktionen af enheder baseret på den fejlsøges. På grund af dets særlige egenskaber bruges materialet hovedsageligt til at skabe mikrobølgemikroelektroniske enheder: digitale og analoge integrerede kredsløb, diskrete felteffekttransistorer og Gunn-dioder, som fungerer uden et p-n-kryds på bekostning af materialets egne midler. Derudover bruges galliumarsenid-baserede mikrokredsløb til fremstilling af mobiltelefoner, mikrobølgeenheder, satellitkommunikationsudstyr og nogle radarsystemer.
Det er dog et skørt materiale med mindrehulmobilitet end silicium, hvilket gør det umuligt at skabe enheder som fx CMOS-transistorer, højhastigheds- og energibesparende elektroniske kredsløb. Det er også relativt vanskeligt at fremstille, hvilket øger omkostningerne ved galliumarsenid-anordninger. Og det har en ret lav varmeledningsevne, hvilket øger risikoen for overophedning af enheder.
Fremtidens materialer
— Diamanter
Diamant har et båndgab større end 3 eV, så per definition er det et dielektrikum. Men når der tilsættes urenheder, bliver ædelstenen en halvleder.
Teoretisk diamant halvlederEnhederne har fremragende fysiske egenskaber, herunder høj varmeledningsevne, nedbrydningsfeltstyrke og bærermobilitet. Dette vil reducere tabene betydeligt, hurtigt sprede varme og øge enhedernes levetid. Derudover kan den fungere med en udgangseffekt og energieffektivitet, der er 50.000 gange højere end siliciumenheder og 1.200 gange højere frekvens.
Dog til industrielle anvendelser i elektroniskHalvlederenheder kræver højkvalitets diamantskiver i stor størrelse. Selvom forsøg på at skabe diamantværktøjer har stået på i mange år. Indtil videre er problemerne forbundet med legering og forarbejdning af materialet ikke løst.
— Grafen
Grafen er en todimensionel allotrop modifikationkulstof. Grafen har potentialet til at overgå silicium som et alsidigt halvledermateriale, forudser McKinsey, men det kan tage op til 25 år før udbredt kommercialisering.
Nøgleegenskaben ved dette materiale er fleksibilitet,derfor kan forskellige komplekse enheder fremstilles ud fra det. Dette materiale anses for lovende til dets videre brug, og der er hele institutter rundt om i verden dedikeret til forskning og udvikling inden for grafen.
Det kan være nyttigt i en række forskellige brancher:fra moderne energinetværk og alternativ energi til biomedicin. I mikroelektronik kan grafen bruges i ultrafølsomme mikroprocessorer, elementer i kvantecomputere og sensorer med ekstreme parametre.
— Borarsenid
Så sent som i juli 2022 har forskerefra MIT sagde, at de havde fundet den bedste kendte halvleder. Det viste sig at være kubisk borarsenid. Dette materiale er en forbindelse af arsen og bor.
Dens varmeledningsevne er 10 gange større endsilicium I modsætning til sidstnævnte og galliumarsenid udviser den bor-baserede halvleder desuden høj mobilitet ikke kun for elektroner, men også for huller.
Selvom forskerne siger, at dette materialepotentielt i stand til at erstatte silicium, men som med grafen er dette stadig meget langt væk. For eksempel skal du først udvikle billige måder at producere dette materiale med høj kvalitet på.
På trods af den høje popularitet og effektivitetsilicium halvledere, analoger er nødvendige. Producenterne presses hertil af to faktorer på én gang. For det første har teknologien næsten nået en grænse, ud over hvilken det vil være umuligt at skabe stadig mindre og mere kraftfulde enheder. Og for det andet fører den konstante stigning i efterspørgslen efter silicium til, at prisen stiger.
Produktionskrisen, der opstod under pandemiencoronavirus har vist, hvor farligt det er at stole på en enkelt kilde. Derfor arbejder virksomheder og forskere verden over på at skabe et alternativ. Ikke desto mindre kan det antages, at dette materiale på grund af billigheden, tilgængeligheden og den veletablerede produktion af siliciumenheder vil have en førende position inden for mikroelektronik i nogen tid fremover.
Læs mere:
"Dette er science fiction": videnskabsmænd skaber en fundamentalt ny type kvantecomputere
Hvad er supergener, og hvordan gør de dyr så mærkelige
ISS "skyder" laserstråler mod Jorden: hvorfor er det nødvendigt, og hvordan virker det