Von „einfachen“ Haushaltsgeräten und Computern bis hin zu Solarzellen, Feldeffekttransistoren und Drohnen
Der klare Marktführer in der Branche ist derzeit Silizium.Allerdings ist es nicht für alle Geräte geeignet; außerdem schränken die physikalischen Eigenschaften des Halbleiters die Möglichkeiten einer weiteren Miniaturisierung und Leistungssteigerung von Chips sowie der Schaffung flexibler Geräte ein. Glücklicherweise gibt es andere alternative Materialien.
Wir sagen Ihnen, wie Halbleiter funktionieren und wasFür die Herstellung von Mikroelektronik gibt es vielversprechende Alternativen zu Silizium. Mehr über den Markt im Allgemeinen können Sie in der Juli-Ausgabe des Digest on Robotics „Microelectronics. Je weniger, desto besser“, erstellt von der Innopolis University.
Was ist ein halbleiter
Ein Halbleiter ist ein Material, das entsprechend seiner spezifischenDie Leitfähigkeit liegt zwischen Leitern und Dielektrika. Typischerweise ist es ein kristalliner Feststoff. Es leitet unter bestimmten Bedingungen Strom und eignet sich daher ideal zur Steuerung des Stromflusses.
Halbleiter im Normalzustand verhaltenwenig oder kein Strom blockiert es. Aber mit einer Temperaturerhöhung oder unter Lichteinfluss beginnen sie, elektrische Ladungen besser zu übertragen. Auch die Leitfähigkeit von Halbleitern ändert sich, wenn eine Verunreinigung eingebracht wird – diesen Vorgang nennt man Dotierung.
Wichtiger Unterschied zwischen einem Halbleiter und einem Leiterliegt darin, dass der Strom darin nicht nur von Elektronen getragen wird, sondern auch von den von ihnen hinterlassenen Leerstellen – Löchern. Im Valenzband verbleibende Löcher können durch Elektronen aus niedrigeren Energiezuständen besetzt werden und so zum Stromfluss beitragen.
Eines der wichtigsten Merkmale eines Halbleiters istist die Beweglichkeit von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern). Dies ist ein Koeffizient, der die Beziehung zwischen der durchschnittlichen Partikelgeschwindigkeit und dem angelegten externen elektrischen Feld zeigt. Die Beweglichkeit von Elektronen und Löchern kann unterschiedlich sein, zum Beispiel in Silizium bei Raumtemperatur bewegen sich negativ geladene Teilchen fast dreimal schneller als positive.
Außerdem variieren Halbleiter in der BreiteVerbotene Zone. Dies ist die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen. Bei Metallen und anderen Halbleitern ist es gleich 0, und wenn ein Wert von 4 eV oder mehr erreicht wird, wird das Material zu einem Dielektrikum.
Eine weitere wichtige Eigenschaft von Halbleitern ist die Wärmeleitfähigkeit. Es zeigt, wie schnell und einfach es möglich sein wird, Wärme von den Komponenten abzuführen, um das Gerät vor Überhitzung zu schützen.
Silizium
Silizium ist in Bezug auf Kohlenstoff an zweiter StelleFülle eines chemischen Elements auf der Erde. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass es leicht abzubauen ist, dass Siliziumkristalle relativ einfach zu bearbeiten sind und insgesamt gute elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Trotz der relativ geringen Beweglichkeit von Elektronen und Löchern bleibt es das optimale Material für die Mikroelektronik-Fertigung.
Ein weiterer Vorteil ist, dass wennBei der Verwendung in integrierten Schaltkreisen bildet es hochwertiges Siliziumoxid, das als Isolierschicht zwischen verschiedenen aktiven Elementen fungiert.
Um die Dichte der Elemente zu erhöhen undGeschwindigkeit von integrierten Schaltungen werden Kombinationen von Elementen aus einkristallinem und polykristallinem Silizium verwendet. Und um die Leitfähigkeit von polykristallinem Silizium zu erhöhen, wird es dotiert.
Siliziumhalbleiter sind weit verbreitet fürErstellung von integrierten Schaltkreisen, Bipolar- und Feldeffekttransistoren, ladungsgekoppelten Bauelementen, Hochgeschwindigkeits-Fotodioden und vielen anderen Bauelementen. Und siliziumbasierte Produkte wie Superjunction-MOSFETs oder IGBTs können in einem weiten Spannungsbereich (von wenigen bis zu mehreren hundert Volt) und in verschiedenen Leistungsklassen eingesetzt werden.
Germanium
Wir leben im „Silizium“-Zeitalter, und vielleichtEs mag den Anschein haben, dass die Mikroelektronik mit diesem Material begann, aber Germanium war das erste. Es wurde in vielen frühen Geräten verwendet, von Radarerkennungsdioden bis zu den ersten Transistoren. Bis Ende der 1960er-Jahre war es der Haupthalbleiter für elektronische Geräte und wurde erst in den frühen 70er-Jahren durch Silizium ersetzt.
Viel häufiger kommt der neue „Champion“ vorEs ist günstiger in der Herstellung und hat eine größere Bandlücke und eine bessere Wärmeleitfähigkeit. Aber Germanium hat auch seinen Vorteil: Die Ladungsträger in diesem Material sind viel beweglicher.
Beispielsweise bewegen sich bei einer Temperatur von 300 K (etwa 27 °C) die Elektronen im „ersten“ Halbleiter fast dreimal schneller als die von Silizium und die Löcher fast viermal schneller.
Obwohl Germanium nicht für moderne geeignet istMikroelektronik, wird es aufgrund dieser Eigenschaften immer noch in einigen Hochfrequenzgeräten verwendet. Beispielsweise wird es zur Herstellung von Mikrowellengeräten, Audiogeräten sowie Geräten mit geringem Stromverbrauch und Präzisionsgeräten verwendet.
Galliumarsenid
Galliumarsenid ist das zweithäufigsteheute gebräuchlicher Halbleiter. Im Gegensatz zu Silizium und Germanium ist Galliumarsenid eine Verbindung, kein Element, und wird durch die Kombination von dreiwertigem Gallium mit Arsen erhalten, das fünf Valenzelektronen hat.
Große Bandlücke und hochDie Elektronenmobilität bewirkt, dass Galliumarsenid-Geräte schnell auf elektrische Signale reagieren, wodurch diese Verbindung für die Verstärkung von Hochfrequenzsignalen geeignet ist. Darüber hinaus hat dieses Material seine Effizienz bei hohen Temperaturen und eine gute Strahlungsbeständigkeit gezeigt.
Galliumarsenid wird seit langem verwendetMikroelektronik, so dass die Herstellung von darauf basierenden Geräten ausgetestet wird. Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften wird das Material hauptsächlich zur Herstellung mikroelektronischer Mikrowellengeräte verwendet: digitale und analoge integrierte Schaltkreise, diskrete Feldeffekttransistoren und Gunn-Dioden, die auf Kosten der Materialeigenmittel ohne pn-Übergang arbeiten. Darüber hinaus werden auf Galliumarsenid basierende Mikroschaltkreise bei der Herstellung von Mobiltelefonen, Mikrowellengeräten, Satellitenkommunikationsgeräten und einigen Radarsystemen verwendet.
Es ist jedoch ein sprödes Material mit wenigerLochmobilität als Silizium, was es unmöglich macht, Bauelemente wie beispielsweise CMOS-Transistoren, schnelle und energiesparende elektronische Schaltungen herzustellen. Es ist auch relativ schwierig herzustellen, was die Kosten von Galliumarsenid-Vorrichtungen erhöht. Und es hat eine ziemlich niedrige Wärmeleitfähigkeit, was das Risiko einer Überhitzung von Geräten erhöht.
Materialien der Zukunft
— Diamanten
Diamant hat eine Bandlücke von mehr als 3 eV und ist somit per Definition ein Dielektrikum. Wenn jedoch Verunreinigungen hinzugefügt werden, wird der Edelstein zu einem Halbleiter.
Theoretisch DiamanthalbleiterDie Bauelemente haben ausgezeichnete physikalische Eigenschaften, einschließlich hoher Wärmeleitfähigkeit, Durchschlagsfeldstärke und Ladungsträgermobilität. Dadurch werden Verluste erheblich reduziert, Wärme schnell abgeführt und die Lebensdauer von Geräten erhöht. Darüber hinaus kann es mit einer Ausgangsleistung und Energieeffizienz betrieben werden, die 50.000-mal höher ist als bei Siliziumgeräten, und eine 1.200-mal höhere Frequenz aufweist.
Allerdings für industrielle Anwendungen in der ElektronikHalbleiterbauelemente erfordern hochqualitative, große Diamantwafer. Obwohl seit vielen Jahren Versuche unternommen werden, Diamantwerkzeuge herzustellen. Bisher sind die Probleme beim Legieren und Verarbeiten des Materials nicht gelöst.
— Graphen
Graphen ist eine zweidimensionale allotrope ModifikationKohlenstoff. Graphen hat das Potenzial, Silizium als vielseitiges Halbleitermaterial zu übertreffen, prognostiziert McKinsey, aber bis zu einer breiten Kommerzialisierung könnte es bis zu 25 Jahre dauern.
Die Haupteigenschaft dieses Materials ist Flexibilität,Daher können daraus verschiedene komplexe Geräte hergestellt werden. Dieses Material gilt als vielversprechend für seine weitere Verwendung, und es gibt weltweit ganze Institute, die sich der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet von Graphen widmen.
Es kann in einer Vielzahl von Branchen nützlich sein:von modernen Energienetzen über alternative Energien bis hin zur Biomedizin. In der Mikroelektronik kann Graphen in hochempfindlichen Mikroprozessoren, Elementen von Quantencomputern und Sensoren mit extremen Parametern verwendet werden.
— Borarsenid
Noch im Juli 2022, Forschervom MIT sagten, sie hätten den besten bekannten Halbleiter gefunden. Es stellte sich heraus, dass es sich um kubisches Borarsenid handelte. Dieses Material ist eine Verbindung aus Arsen und Bor.
Seine Wärmeleitfähigkeit ist zehnmal höher als die vonSilizium Darüber hinaus weist der borbasierte Halbleiter im Gegensatz zu letzterem und Galliumarsenid eine hohe Mobilität nicht nur für Elektronen, sondern auch für Löcher auf.
Obwohl Wissenschaftler sagen, dass dieses Materialmöglicherweise in der Lage, Silizium zu ersetzen, aber wie bei Graphen ist dies noch sehr weit entfernt. Zum Beispiel müssen Sie zuerst billige Wege finden, um dieses Material in hoher Qualität herzustellen.
Trotz der hohen Popularität und WirksamkeitSiliziumhalbleiter werden Analoga benötigt. Die Hersteller werden durch zwei Faktoren gleichzeitig dazu gedrängt. Erstens hat die Technologie fast eine Grenze erreicht, jenseits derer es unmöglich sein wird, immer kleinere und leistungsstärkere Geräte zu entwickeln. Und zweitens führt die stetig steigende Nachfrage nach Silizium zu einem Preisanstieg.
Die während der Pandemie entstandene ProduktionskriseCorona hat gezeigt, wie gefährlich es ist, sich auf eine einzige Quelle zu verlassen. Daher arbeiten Unternehmen und Wissenschaftler auf der ganzen Welt daran, eine Alternative zu schaffen. Dennoch ist davon auszugehen, dass dieses Material aufgrund der günstigen Preislage, Verfügbarkeit und etablierten Produktion von Siliziumbauelementen noch einige Zeit eine führende Position in der Mikroelektronik einnehmen wird.
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