"Yksinkertaisista" kodinkoneista ja tietokoneista aurinkokennoihin, kenttätransistoreihin ja droneihin
Tällä hetkellä alan selkeä johtaja on pii.Mutta se ei sovellu kaikille laitteille, lisäksi puolijohteen fysikaaliset ominaisuudet rajoittavat mahdollisuuksia sirujen miniatyrisointiin ja tehon lisäämiseen sekä joustavien laitteiden luomiseen. Onneksi on olemassa muita vaihtoehtoisia materiaaleja.
Kerromme kuinka puolijohteet toimivat ja mitäpiille on lupaavia vaihtoehtoja mikroelektroniikan luomiseen. Voit lukea lisää markkinoista yleisesti heinäkuun numerosta robotiikkaa käsittelevästä tiivistelmästä ”Mikroelektroniikka. Mitä vähemmän, sen parempi”, Innopolis-yliopiston laatima.
Mikä on puolijohde
Puolijohde on materiaali, joka ominaisuutensa mukaanjohtavuus on johtimien ja eristeiden välissä. Tyypillisesti se on kiteinen kiinteä aine. Se johtaa sähköä tietyissä olosuhteissa, mikä tekee siitä ihanteellisen virran ohjaamiseen.
Puolijohteet normaalitilassaanvähän tai ei ollenkaan virtaa, joka estää sen. Mutta lämpötilan noustessa tai valon vaikutuksesta ne alkavat välittää paremmin sähkövarauksia. Myös puolijohteiden johtavuus muuttuu, kun epäpuhtaus lisätään - tätä prosessia kutsutaan dopingiksi.
Tärkeä ero puolijohteen ja johtimen välilläjohtuu siitä, että siinä olevaa virtaa kuljettavat elektronien lisäksi myös niiden jättämät paikat - reiät. Valenssikaistalle jäävät reiät voivat olla alhaisempien energiatilojen elektronien varassa, mikä edistää virran virtausta.
Yksi puolijohteen tärkeimmistä ominaisuuksista onon varauskantajien (elektronien ja reikien) liikkuvuutta. Tämä on kerroin, joka osoittaa keskimääräisen hiukkasnopeuden ja käytetyn ulkoisen sähkökentän välisen suhteen. Elektronien ja reikien liikkuvuus voi olla erilaista, esimerkiksi piissä huoneenlämmössä negatiivisesti varautuneet hiukkaset liikkuvat lähes kolme kertaa nopeammin kuin positiiviset.
Lisäksi puolijohteiden leveys vaihteleekielletty alue. Tämä on vähimmäisenergia, joka tarvitaan siirtämään elektroni valenssikaistalta johtavuuskaistalle. Metalleilla ja muilla puolijohteilla se on yhtä suuri kuin 0, ja kun taso 4 eV tai enemmän saavutetaan, materiaalista tulee eriste.
Toinen puolijohteiden tärkeä ominaisuus on lämmönjohtavuus. Se osoittaa, kuinka nopeasti ja helposti on mahdollista poistaa lämpöä komponenteista laitteen suojaamiseksi ylikuumenemiselta.
Pii
Pii on toiseksi vain hiilen suhteenkemiallisen alkuaineen runsaus maan päällä. Sen tärkein etu on, että sitä on helppo louhia, piikiteitä on suhteellisen helppo työstää ja ne tarjoavat hyvät yleiset sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet. Huolimatta suhteellisen vähäisestä elektronien ja reikien liikkuvuudesta, se on edelleen optimaalinen materiaali mikroelektroniikan valmistukseen.
Toinen etu on, että milloinintegroiduissa piireissä käytettynä se muodostaa korkealaatuista piioksidia, joka toimii eristekerroksena eri aktiivisten elementtien välissä.
Elementtien tiheyden lisäämiseksi jaintegroitujen piirien nopeus, käytetään yksikiteisen ja monikiteisen piin elementtien yhdistelmiä. Ja monikiteisen piin johtavuuden lisäämiseksi se on seostettu.
Piipuolijohteita käytetään laajaltiintegroitujen piirien, bipolaari- ja kenttätransistoreiden, varauskytkettyjen laitteiden, nopeiden valodiodien ja monien muiden laitteiden luominen. Ja piipohjaisia tuotteita, kuten superliitos-MOSFETtejä tai IGBT:itä, voidaan käyttää monenlaisilla jännitteillä (muutamasta useaan sataan volttiin) ja eri teholuokissa.
germaaniumia
Elämme "piin" aikakautta ja ehkäVoi vaikuttaa siltä, että mikroelektroniikka alkoi tästä materiaalista, mutta germanium oli ensimmäinen. Sitä käytettiin monissa varhaisissa laitteissa tutkanilmaisudiodeista ensimmäisiin transistoreihin. 1960-luvun loppuun asti se oli tärkein elektronisissa laitteissa käytetty puolijohde, ja vasta 70-luvun alussa se korvattiin piillä.
Uusi "mestari" on paljon yleisempi, seSe on halvempaa valmistaa ja sillä on leveämpi kaistaväli ja parempi lämmönjohtavuus. Mutta germaniumilla on myös etunsa: tämän materiaalin varauksenkantajat ovat paljon liikkuvampia.
Esimerkiksi lämpötilassa 300 K (noin 27 °C) "ensimmäisen" puolijohteen elektronit liikkuvat lähes kolme kertaa nopeammin kuin piin ja reiät lähes neljä kertaa nopeammin.
Vaikka germanium ei sovellu moderniinmikroelektroniikka, näiden ominaisuuksien vuoksi sitä käytetään edelleen joissakin radiotaajuuslaitteissa. Sitä käytetään esimerkiksi mikroaaltouunien, äänilaitteiden sekä pienitehoisten ja tarkkuuslaitteiden luomiseen.
galliumarsenidi
Galliumarsenidi on toiseksi enitenyleinen puolijohde, jota käytetään nykyään. Toisin kuin pii ja germanium, galliumarsenidi on yhdiste, ei alkuaine, ja se saadaan yhdistämällä kolmiarvoinen gallium arseeniin, jossa on viisi valenssielektronia.
Suuri bandgap ja korkeaElektronien liikkuvuus saa galliumarsenidilaitteet reagoimaan nopeasti sähköisiin signaaleihin, mikä tekee tästä yhdisteestä sopivan suurtaajuisten signaalien vahvistamiseen. Lisäksi tämä materiaali on osoittanut tehokkuutensa korkeissa lämpötiloissa ja hyvän säteilynkestävyyden.
Galliumarsenidia on käytetty pitkäänmikroelektroniikkaa, joten siihen perustuvien laitteiden tuotantoon tehdään virheenkorjaus. Erikoisominaisuuksiensa vuoksi materiaalia käytetään pääasiassa mikroaalto-mikroelektronisten laitteiden valmistukseen: digitaalisia ja analogisia integroituja piirejä, diskreettejä kenttätransistoreja ja Gunn-diodeja, jotka toimivat ilman p-n-liitosta materiaalin omien varojen kustannuksella. Lisäksi galliumarsenidipohjaisia mikropiirejä käytetään matkapuhelimien, mikroaaltouunien, satelliittiviestintälaitteiden ja joidenkin tutkajärjestelmien valmistuksessa.
Se on kuitenkin hauras materiaali, jossa on vähemmänreikä liikkuvuus kuin piin, mikä tekee mahdottomaksi luoda laitteita, kuten esimerkiksi CMOS-transistoreja, nopeita ja energiaa säästäviä elektronisia piirejä. Se on myös suhteellisen vaikea valmistaa, mikä lisää galliumarsenidilaitteiden kustannuksia. Ja sillä on melko alhainen lämmönjohtavuus, mikä lisää laitteiden ylikuumenemisen riskiä.
Tulevaisuuden materiaalit
— Timantit
Timantin kaistaväli on suurempi kuin 3 eV, joten määritelmän mukaan se on dielektrinen. Kuitenkin, kun epäpuhtauksia lisätään, jalokivestä tulee puolijohde.
Teoreettisesti timanttipuolijohdeLaitteilla on erinomaiset fysikaaliset ominaisuudet, kuten korkea lämmönjohtavuus, läpilyöntikentän voimakkuus ja kantoaallon liikkuvuus. Tämä vähentää merkittävästi häviöitä, haihduttaa nopeasti lämpöä ja pidentää laitteiden käyttöikää. Lisäksi se voi toimia 50 000 kertaa korkeammalla lähtöteholla ja energiatehokkuudella kuin piilaitteet ja 1 200 kertaa suuremmalla taajuudella.
Kuitenkin teollisiin sovelluksiin elektroniikassaPuolijohdelaitteet vaativat korkealaatuisia, suurikokoisia timanttikiekkoja. Vaikka timanttityökaluja on yritetty luoda useita vuosia. Toistaiseksi materiaalin seostukseen ja käsittelyyn liittyviä ongelmia ei ole ratkaistu.
— Grafeeni
Grafeeni on kaksiulotteinen allotrooppinen modifikaatiohiili. Grafeenilla on potentiaalia ohittaa piin monipuolisena puolijohdemateriaalina, McKinsey ennustaa, mutta saattaa kestää jopa 25 vuotta ennen kuin laajalle levinnyt kaupallistaminen tapahtuu.
Tämän materiaalin tärkein ominaisuus on joustavuus,siksi siitä voidaan valmistaa erilaisia monimutkaisia laitteita. Tätä materiaalia pidetään lupaavana jatkokäyttöön, ja ympäri maailmaa on kokonaisia instituutteja, jotka ovat omistautuneet grafeeni-alan tutkimukseen ja kehitykseen.
Se voi olla hyödyllinen useilla toimialoilla:nykyaikaisista energiaverkoista ja vaihtoehtoisesta energiasta biolääketieteeseen. Mikroelektroniikassa grafeenia voidaan käyttää ultraherkissä mikroprosessoreissa, kvanttitietokoneiden elementeissä ja antureissa, joilla on äärimmäiset parametrit.
— Booriarsenidi
Vielä heinäkuussa 2022 tutkijatMIT sanoi löytäneensä parhaan tunnetun puolijohteen. Se osoittautui kuutioksi booriarsenidiksi. Tämä materiaali on arseenin ja boorin yhdiste.
Sen lämmönjohtavuus on 10 kertaa suurempi kuinpiitä Lisäksi, toisin kuin jälkimmäinen ja galliumarsenidi, booripohjainen puolijohde osoittaa suurta liikkuvuutta elektronien lisäksi myös reikien suhteen.
Vaikka tutkijat sanovat, että tämä materiaalivoi mahdollisesti korvata piin, mutta kuten grafeeni, tämä on vielä hyvin kaukana. Esimerkiksi sinun on ensin kehitettävä halpoja tapoja tuottaa tätä materiaalia korkealaatuisesti.
Huolimatta suuresta suosiosta ja tehokkuudestapiipuolijohteita, analogeja tarvitaan. Valmistajia ajaa tätä kohti kaksi tekijää kerralla. Ensinnäkin tekniikka on melkein saavuttanut rajan, jonka ylittäen on mahdotonta luoda yhä pienempiä ja tehokkaampia laitteita. Ja toiseksi piin kysynnän jatkuva kasvu johtaa sen hinnan nousuun.
Pandemian aikana syntynyt tuotantokriisikoronavirus on osoittanut, kuinka vaarallista on luottaa yhteen lähteeseen. Siksi yritykset ja tutkijat ympäri maailmaa pyrkivät luomaan vaihtoehdon. Voidaan kuitenkin olettaa, että piilaitteiden halvuudesta, saatavuudesta ja vakiintuneesta valmistuksesta johtuen tämä materiaali tulee olemaan johtavassa asemassa mikroelektroniikassa vielä jonkin aikaa.
Lue lisää:
"Tämä on tieteisfiktiota": tiedemiehet luovat täysin uudenlaisia kvanttitietokoneita
Mitä ovat supergeenit ja miten ne tekevät eläimistä niin outoja
ISS "ammuttaa" lasersäteitä Maahan: miksi sitä tarvitaan ja miten se toimii