Από «απλές» οικιακές συσκευές και υπολογιστές μέχρι ηλιακά κύτταρα, τρανζίστορ πεδίου και drones
Ο ξεκάθαρος ηγέτης στη βιομηχανία αυτή τη στιγμή είναι το πυρίτιο.Αλλά δεν είναι κατάλληλο για όλες τις συσκευές· επιπλέον, οι φυσικές ιδιότητες του ημιαγωγού περιορίζουν τις δυνατότητες περαιτέρω σμίκρυνσης και αύξησης της ισχύος των τσιπ και τη δημιουργία εύκαμπτων συσκευών. Ευτυχώς, υπάρχουν και άλλα εναλλακτικά υλικά.
Λέμε πώς λειτουργούν οι ημιαγωγοί και τιυπάρχουν πολλά υποσχόμενες εναλλακτικές λύσεις αντί του πυριτίου για τη δημιουργία μικροηλεκτρονικών. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για την αγορά γενικά στο τεύχος Ιουλίου του αφιερώματος για τη ρομποτική «Microelectronics. Όσο λιγότερο, τόσο το καλύτερο», εκπονήθηκε από το Πανεπιστήμιο Innopolis.
Τι είναι ημιαγωγός
Ημιαγωγός είναι ένα υλικό που σύμφωνα με τις ιδιαιτερότητές τουΗ αγωγιμότητα καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ αγωγών και διηλεκτρικών. Τυπικά, είναι ένα κρυσταλλικό στερεό. Μεταφέρει ηλεκτρισμό υπό ορισμένες συνθήκες, καθιστώντας το ιδανικό για τον έλεγχο της ροής του ρεύματος.
Οι ημιαγωγοί στην κανονική τους κατάσταση συμπεριφοράελάχιστο ή καθόλου ρεύμα που το εμποδίζει. Αλλά με αύξηση της θερμοκρασίας ή υπό την επίδραση του φωτός, αρχίζουν να μεταδίδουν καλύτερα ηλεκτρικά φορτία. Επίσης, η αγωγιμότητα των ημιαγωγών αλλάζει όταν εισάγεται μια ακαθαρσία - αυτή η διαδικασία ονομάζεται ντόπινγκ.
Σημαντική διαφορά μεταξύ ημιαγωγού και αγωγούέγκειται στο γεγονός ότι το ρεύμα σε αυτό μεταφέρεται όχι μόνο από ηλεκτρόνια, αλλά και από τα κενά που αφήνουν αυτά - τρύπες. Οι οπές που απομένουν στη ζώνη σθένους μπορούν να καταληφθούν από ηλεκτρόνια από καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας και έτσι να συμβάλλουν στη ροή του ρεύματος.
Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά ενός ημιαγωγού είναιείναι η κινητικότητα των φορέων φορτίου (ηλεκτρόνια και οπές). Αυτός είναι ένας συντελεστής που δείχνει τη σχέση μεταξύ της μέσης ταχύτητας των σωματιδίων και του εφαρμοζόμενου εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Η κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών μπορεί να είναι διαφορετική, για παράδειγμα, στο πυρίτιο σε θερμοκρασία δωματίου, τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια κινούνται σχεδόν τρεις φορές πιο γρήγορα από τα θετικά.
Επιπλέον, οι ημιαγωγοί ποικίλλουν σε πλάτοςαπαγορευμένη ζώνη. Αυτή είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για τη μετακίνηση ενός ηλεκτρονίου από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Για μέταλλα και άλλους ημιαγωγούς, είναι ίσο με 0, και όταν επιτευχθεί επίπεδο 4 eV ή περισσότερο, το υλικό γίνεται διηλεκτρικό.
Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό των ημιαγωγών είναι η θερμική αγωγιμότητα. Δείχνει πόσο γρήγορα και εύκολα θα είναι δυνατή η αφαίρεση της θερμότητας από τα εξαρτήματα προκειμένου να προστατεύεται η συσκευή από υπερθέρμανση.
Πυρίτιο
Το πυρίτιο είναι το δεύτερο μόνο μετά τον άνθρακα από άποψηαφθονία ενός χημικού στοιχείου στη Γη. Το κύριο πλεονέκτημά του είναι ότι είναι εύκολο στην εξόρυξη, οι κρύσταλλοι πυριτίου είναι σχετικά εύκολο να εργαστούν και παρέχουν καλές συνολικές ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες. Ακόμη και παρά τη σχετικά χαμηλή κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών, παραμένει το βέλτιστο υλικό για μικροηλεκτρονική παραγωγή.
Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι ότανΌταν χρησιμοποιείται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, σχηματίζει οξείδιο του πυριτίου υψηλής ποιότητας, το οποίο λειτουργεί ως μονωτικό στρώμα μεταξύ διαφόρων ενεργών στοιχείων.
Να αυξηθεί η πυκνότητα των στοιχείων καιταχύτητα ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, χρησιμοποιούνται συνδυασμοί στοιχείων μονοκρυσταλλικού και πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Και για να αυξηθεί η αγωγιμότητα του πολυκρυσταλλικού πυριτίου, είναι ντοπαρισμένο.
Οι ημιαγωγοί πυριτίου χρησιμοποιούνται ευρέως γιαδημιουργία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, διπολικών τρανζίστορ και φαινομένου πεδίου, συσκευών σύζευξης φορτίου, φωτοδιόδων υψηλής ταχύτητας και πολλών άλλων συσκευών. Και προϊόντα με βάση το πυρίτιο, όπως τα MOSFET super-junction ή τα IGBT, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα τάσεων (από μερικές έως αρκετές εκατοντάδες βολτ) και σε διάφορες κατηγορίες ισχύος.
Γερμάνιο
Ζούμε στην εποχή του πυριτίου, και ίσωςΜπορεί να φαίνεται ότι η μικροηλεκτρονική ξεκίνησε με αυτό το υλικό, αλλά το γερμάνιο ήταν το πρώτο. Χρησιμοποιήθηκε σε πολλές πρώιμες συσκευές, από τις διόδους ανίχνευσης ραντάρ μέχρι τα πρώτα τρανζίστορ. Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1960 ήταν ο κύριος ημιαγωγός που χρησιμοποιούνταν σε ηλεκτρονικές συσκευές και μόλις στις αρχές της δεκαετίας του 70 αντικαταστάθηκε από πυρίτιο.
Ο νέος «πρωταθλητής» είναι πολύ πιο συνηθισμένος, αυτόΕίναι φθηνότερο στην παραγωγή και έχει μεγαλύτερο διάκενο ζώνης και καλύτερη θερμική αγωγιμότητα. Αλλά το γερμάνιο έχει επίσης το πλεονέκτημά του: οι φορείς φόρτισης σε αυτό το υλικό είναι πολύ πιο κινητοί.
Για παράδειγμα, σε θερμοκρασία 300 Κ (περίπου 27°C), τα ηλεκτρόνια στον «πρώτο» ημιαγωγό κινούνται σχεδόν τρεις φορές πιο γρήγορα από εκείνα του πυριτίου και οι οπές κινούνται σχεδόν τέσσερις φορές πιο γρήγορα.
Αν και το γερμάνιο δεν είναι κατάλληλο για μοντέρνομικροηλεκτρονική, λόγω αυτών των ιδιοτήτων εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε ορισμένες συσκευές ραδιοσυχνοτήτων. Για παράδειγμα, χρησιμοποιείται για τη δημιουργία συσκευών μικροκυμάτων, εξοπλισμού ήχου, καθώς και εξοπλισμού χαμηλής κατανάλωσης και ακριβείας.
αρσενίδιο του γαλλίου
Το αρσενίδιο του γαλλίου είναι το δεύτερο περισσότεροκοινός ημιαγωγός που χρησιμοποιείται σήμερα. Σε αντίθεση με το πυρίτιο και το γερμάνιο, το αρσενίδιο του γαλλίου είναι μια ένωση, όχι ένα στοιχείο, και λαμβάνεται συνδυάζοντας το τρισθενές γάλλιο με το αρσενικό, το οποίο έχει πέντε ηλεκτρόνια σθένους.
Μεγάλο bandgap και ψηλόΗ κινητικότητα των ηλεκτρονίων αναγκάζει τις συσκευές αρσενιδίου του γαλλίου να ανταποκρίνονται γρήγορα στα ηλεκτρικά σήματα, καθιστώντας αυτή την ένωση κατάλληλη για την ενίσχυση σημάτων υψηλής συχνότητας. Επιπλέον, το υλικό αυτό έχει δείξει την αποτελεσματικότητά του σε υψηλές θερμοκρασίες και καλή αντοχή στην ακτινοβολία.
Το αρσενίδιο του γαλλίου χρησιμοποιείται από καιρό σεμικροηλεκτρονική, οπότε η παραγωγή συσκευών που βασίζονται σε αυτήν αποσφαλμάτωση. Λόγω των ειδικών ιδιοτήτων του, το υλικό χρησιμοποιείται κυρίως για τη δημιουργία μικροηλεκτρονικών συσκευών μικροκυμάτων: ψηφιακά και αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα, διακριτά τρανζίστορ φαινομένου πεδίου και διόδους Gunn, που λειτουργούν χωρίς διασταύρωση p-n εις βάρος των ιδίων πόρων του υλικού. Επιπλέον, μικροκυκλώματα με βάση το αρσενίδιο του γαλλίου χρησιμοποιούνται στην κατασκευή κινητών τηλεφώνων, συσκευών μικροκυμάτων, συσκευών δορυφορικής επικοινωνίας και ορισμένων συστημάτων ραντάρ.
Ωστόσο, είναι ένα εύθραυστο υλικό με λιγότερακινητικότητα οπών από το πυρίτιο, γεγονός που καθιστά αδύνατη τη δημιουργία συσκευών όπως, για παράδειγμα, τρανζίστορ CMOS, ηλεκτρονικά κυκλώματα υψηλής ταχύτητας και εξοικονόμησης ενέργειας. Είναι επίσης σχετικά δύσκολο να κατασκευαστεί, αυξάνοντας το κόστος των συσκευών αρσενιούχου γαλλίου. Και έχει αρκετά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, η οποία αυξάνει τον κίνδυνο υπερθέρμανσης συσκευών.
Υλικά του μέλλοντος
— Διαμάντια
Το Diamond έχει διάκενο ζώνης μεγαλύτερο από 3 eV, επομένως εξ ορισμού είναι διηλεκτρικό. Ωστόσο, όταν προστίθενται ακαθαρσίες, ο πολύτιμος λίθος γίνεται ημιαγωγός.
Θεωρητικά διαμαντένιο ημιαγωγόΟι συσκευές έχουν εξαιρετικές φυσικές ιδιότητες, όπως υψηλή θερμική αγωγιμότητα, ένταση πεδίου διάσπασης και κινητικότητα φορέα. Αυτό θα μειώσει σημαντικά τις απώλειες, θα διαχέει γρήγορα τη θερμότητα και θα αυξήσει τη διάρκεια ζωής των συσκευών. Επιπλέον, μπορεί να λειτουργήσει με ισχύ εξόδου και ενεργειακή απόδοση 50.000 φορές υψηλότερη από τις συσκευές πυριτίου και 1.200 φορές υψηλότερη συχνότητα.
Ωστόσο, για βιομηχανικές εφαρμογές σε ηλεκτρονικάΟι συσκευές ημιαγωγών απαιτούν υψηλής ποιότητας διαμαντένιες γκοφρέτες μεγάλου μεγέθους. Αν και οι προσπάθειες δημιουργίας εργαλείων διαμαντιών συνεχίζονται εδώ και πολλά χρόνια. Μέχρι στιγμής, τα προβλήματα που σχετίζονται με το κράμα και την επεξεργασία του υλικού δεν έχουν λυθεί.
— Γραφένιο
Το γραφένιο είναι μια δισδιάστατη αλλοτροπική τροποποίησηάνθρακας. Το γραφένιο έχει τη δυνατότητα να ξεπεράσει το πυρίτιο ως ευέλικτο υλικό ημιαγωγών, προβλέπει η McKinsey, αλλά μπορεί να χρειαστούν έως και 25 χρόνια για να διαδοθεί στο εμπόριο.
Το βασικό χαρακτηριστικό αυτού του υλικού είναι η ευελιξία,επομένως, από αυτό μπορούν να παραχθούν διάφορες πολύπλοκες συσκευές. Αυτό το υλικό θεωρείται πολλά υποσχόμενο για την περαιτέρω χρήση του και υπάρχουν ολόκληρα ινστιτούτα σε όλο τον κόσμο αφιερωμένα στην έρευνα και ανάπτυξη στον τομέα του γραφενίου.
Μπορεί να είναι χρήσιμο σε διάφορους κλάδους:από τα σύγχρονα ενεργειακά δίκτυα και την εναλλακτική ενέργεια στη βιοϊατρική. Στη μικροηλεκτρονική, το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υπερευαίσθητους μικροεπεξεργαστές, στοιχεία κβαντικών υπολογιστών και αισθητήρες με ακραίες παραμέτρους.
— Αρσενίδιο βορίου
Μόλις τον Ιούλιο του 2022, οι ερευνητέςαπό το MIT είπε ότι βρήκαν τον καλύτερο γνωστό ημιαγωγό. Αποδείχθηκε ότι ήταν κυβικό αρσενίδιο βορίου. Αυτό το υλικό είναι μια ένωση αρσενικού και βορίου.
Η θερμική του αγωγιμότητα είναι 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή τουπυρίτιο Επιπλέον, σε αντίθεση με το τελευταίο και το αρσενίδιο του γαλλίου, ο ημιαγωγός με βάση το βόριο επιδεικνύει υψηλή κινητικότητα όχι μόνο για ηλεκτρόνια, αλλά και για οπές.
Αν και οι επιστήμονες λένε ότι αυτό το υλικόμπορεί να αντικαταστήσει το πυρίτιο, αλλά, όπως και με το γραφένιο, αυτό είναι ακόμα πολύ μακριά. Για παράδειγμα, πρώτα πρέπει να αναπτύξετε φθηνούς τρόπους παραγωγής αυτού του υλικού με υψηλή ποιότητα.
Παρά την υψηλή δημοτικότητα και αποτελεσματικότηταημιαγωγοί πυριτίου, χρειάζονται ανάλογα. Οι κατασκευαστές ωθούνται προς αυτό από δύο παράγοντες ταυτόχρονα. Πρώτον, η τεχνολογία έχει σχεδόν φτάσει σε ένα όριο πέρα από το οποίο θα είναι αδύνατο να δημιουργηθούν ακόμη μικρότερες και πιο ισχυρές συσκευές. Και δεύτερον, η συνεχής αύξηση της ζήτησης για το πυρίτιο οδηγεί στην άνοδο της τιμής του.
Η κρίση παραγωγής που προέκυψε κατά τη διάρκεια της πανδημίαςΟ κορωνοϊός έχει δείξει πόσο επικίνδυνο είναι να βασίζεσαι σε μία μόνο πηγή. Ως εκ τούτου, εταιρείες και επιστήμονες σε όλο τον κόσμο εργάζονται για να δημιουργήσουν μια εναλλακτική λύση. Ωστόσο, μπορεί να υποτεθεί ότι, λόγω της φθηνότητας, της διαθεσιμότητας και της καθιερωμένης παραγωγής συσκευών πυριτίου, αυτό το υλικό θα κατέχει ηγετική θέση στη μικροηλεκτρονική για αρκετό καιρό ακόμη.
Διαβάστε περισσότερα:
«Αυτό είναι επιστημονική φαντασία»: οι επιστήμονες δημιουργούν έναν θεμελιωδώς νέο τύπο κβαντικών υπολογιστών
Τι είναι τα υπεργονίδια και πώς κάνουν τα ζώα τόσο παράξενα
Ο ISS «πυροβολεί» ακτίνες λέιζερ στη Γη: γιατί χρειάζεται και πώς λειτουργεί