Des « simples » appareils électroménagers et ordinateurs aux cellules solaires, transistors à effet de champ et drones
Le leader incontesté du secteur à l’heure actuelle est le silicium.Mais il ne convient pas à tous les appareils ; de plus, les propriétés physiques du semi-conducteur limitent les possibilités de miniaturisation ultérieure et d'augmentation de la puissance des puces et de création de dispositifs flexibles. Heureusement, il existe d'autres matériaux alternatifs.
Nous vous expliquons comment fonctionnent les semi-conducteurs et ceil existe des alternatives prometteuses au silicium pour la création de la microélectronique. Vous pouvez en savoir plus sur le marché en général dans le numéro de juillet du résumé sur la robotique « Microelectronics. Le moins, le mieux », préparé par l'Université d'Innopolis.
Qu'est-ce qu'un semi-conducteur
Un semi-conducteur est un matériau qui, selon sa spécificitéla conductivité occupe une position intermédiaire entre les conducteurs et les diélectriques. Typiquement, c'est un solide cristallin. Il conduit l'électricité dans certaines conditions, ce qui le rend idéal pour contrôler le flux de courant.
Semi-conducteurs dans leur état normalpeu ou pas de courant le bloquant. Mais avec une augmentation de température ou sous l'action de la lumière, ils commencent à mieux transmettre les charges électriques. De plus, la conductivité des semi-conducteurs change lorsqu'une impureté est introduite - ce processus est appelé dopage.
Différence importante entre un semi-conducteur et un conducteurréside dans le fait que le courant qu'il contient est transporté non seulement par les électrons, mais aussi par les postes vacants qu'ils laissent - les trous. Les trous restant dans la bande de valence peuvent être occupés par des électrons provenant d'états d'énergie inférieurs et ainsi contribuer à la circulation du courant.
L'une des principales caractéristiques d'un semi-conducteur estest la mobilité des porteurs de charge (électrons et trous). Il s'agit d'un coefficient qui montre la relation entre la vitesse moyenne des particules et le champ électrique externe appliqué. La mobilité des électrons et des trous peut être différente, par exemple, dans le silicium à température ambiante, les particules chargées négativement se déplacent presque trois fois plus vite que les positives.
De plus, les semi-conducteurs varient en largeurzone interdite. C'est l'énergie minimale nécessaire pour déplacer un électron de la bande de valence à la bande de conduction. Pour les métaux et autres semi-conducteurs, il est égal à 0, et lorsqu'il atteint un niveau de 4 eV ou plus, le matériau devient un diélectrique.
Une autre caractéristique importante des semi-conducteurs est la conductivité thermique. Il montre avec quelle rapidité et facilité il sera possible d'évacuer la chaleur des composants afin de protéger l'appareil contre la surchauffe.
Silicium
Le silicium est juste derrière le carbone en termes del'abondance d'un élément chimique sur Terre. Son principal avantage est qu'il est facile à exploiter, les cristaux de silicium sont relativement faciles à travailler et offrent de bonnes propriétés électriques et mécaniques globales. Même malgré la mobilité relativement faible des électrons et des trous, il reste le matériau optimal pour la production microélectronique.
Un autre avantage est que lorsquelorsqu'il est utilisé dans des circuits intégrés, il forme de l'oxyde de silicium de haute qualité, qui agit comme une couche isolante entre divers éléments actifs.
Pour augmenter la densité des éléments etvitesse des circuits intégrés, des combinaisons d'éléments de silicium monocristallin et polycristallin sont utilisées. Et pour augmenter la conductivité du silicium polycristallin, on le dope.
Les semi-conducteurs de silicium sont largement utilisés pourcréation de circuits intégrés, de transistors bipolaires et à effet de champ, de dispositifs à couplage de charge, de photodiodes à grande vitesse et de nombreux autres dispositifs. Et les produits à base de silicium, tels que les MOSFET à super-jonction ou les IGBT, peuvent être utilisés dans une large gamme de tensions (de quelques volts à plusieurs centaines de volts) et dans différentes classes de puissance.
Germanium
Nous vivons à l’ère du « silicium », et peut-êtreIl peut sembler que la microélectronique a commencé avec ce matériau, mais le germanium a été le premier. Il a été utilisé dans de nombreux premiers appareils, depuis les diodes de détection radar jusqu'aux premiers transistors. Jusqu'à la fin des années 1960, il était le principal semi-conducteur utilisé dans les appareils électroniques, et ce n'est qu'au début des années 70 qu'il a été remplacé par le silicium.
Le nouveau « champion » est beaucoup plus courant, ilIl est moins cher à produire et possède une bande interdite plus large et une meilleure conductivité thermique. Mais le germanium a aussi son avantage : les porteurs de charge de ce matériau sont beaucoup plus mobiles.
Par exemple, à une température de 300 K (environ 27°C), les électrons du « premier » semi-conducteur se déplacent presque trois fois plus vite que ceux du silicium, et les trous se déplacent presque quatre fois plus vite.
Bien que le germanium ne soit pas adapté auxmicroélectronique, en raison de ces propriétés, il est encore utilisé dans certains dispositifs RF. Par exemple, il est utilisé pour créer des appareils à micro-ondes, des équipements audio, ainsi que des équipements de faible puissance et de précision.
arséniure de gallium
L'arséniure de gallium est le deuxième plussemi-conducteur commun utilisé aujourd'hui. Contrairement au silicium et au germanium, l'arséniure de gallium est un composé, pas un élément, et est obtenu en combinant du gallium trivalent avec de l'arsenic, qui a cinq électrons de valence.
Large bande interdite et hauteLa mobilité des électrons fait que les dispositifs à l'arséniure de gallium répondent rapidement aux signaux électriques, ce qui rend ce composé adapté à l'amplification des signaux à haute fréquence. De plus, ce matériau a montré son efficacité à haute température et sa bonne résistance aux radiations.
L'arséniure de gallium est utilisé depuis longtemps dansmicroélectronique, de sorte que la production de dispositifs basés sur celle-ci est déboguée. En raison de ses propriétés particulières, le matériau est principalement utilisé pour créer des dispositifs microélectroniques hyperfréquences : circuits intégrés numériques et analogiques, transistors à effet de champ discrets et diodes Gunn, qui fonctionnent sans jonction p-n au détriment des fonds propres du matériau. De plus, les microcircuits à base d'arséniure de gallium sont utilisés dans la fabrication de téléphones mobiles, d'appareils à micro-ondes, d'appareils de communication par satellite et de certains systèmes radar.
Cependant, c'est un matériau fragile avec moinsmobilité des trous que le silicium, ce qui rend impossible la création de dispositifs tels que, par exemple, des transistors CMOS, des circuits électroniques à haute vitesse et économes en énergie. Il est également relativement difficile à fabriquer, ce qui augmente le coût des dispositifs à l'arséniure de gallium. Et il a une conductivité thermique assez faible, ce qui augmente le risque de surchauffe des appareils.
Matériaux du futur
— Diamants
Le diamant a une bande interdite supérieure à 3 eV, c'est donc par définition un diélectrique. Cependant, lorsque des impuretés sont ajoutées, la pierre précieuse devient un semi-conducteur.
Semi-conducteur théoriquement en diamantLes dispositifs ont d'excellentes propriétés physiques, notamment une conductivité thermique élevée, une intensité de champ de claquage et une mobilité des porteurs. Cela réduira considérablement les pertes, dissipera rapidement la chaleur et augmentera la durée de vie des appareils. De plus, il peut fonctionner à une puissance de sortie et à une efficacité énergétique 50 000 fois supérieures à celles des dispositifs au silicium et à une fréquence 1 200 fois supérieure.
Cependant, pour les applications industrielles en électroniqueLes dispositifs semi-conducteurs nécessitent des tranches de diamant de haute qualité et de grande taille. Bien que les tentatives de création d'outils diamantés se poursuivent depuis de nombreuses années. Jusqu'à présent, les problèmes liés à l'alliage et au traitement du matériau n'ont pas été résolus.
— Graphène
Le graphène est une modification allotropique bidimensionnellecarbone. Le graphène a le potentiel de surpasser le silicium en tant que matériau semi-conducteur polyvalent, prédit McKinsey, mais cela pourrait prendre jusqu'à 25 ans avant une commercialisation généralisée.
La principale caractéristique de ce matériau est la flexibilité,par conséquent, divers dispositifs complexes peuvent être produits à partir de celui-ci. Ce matériau est considéré comme prometteur pour son utilisation ultérieure, et il existe des instituts entiers dans le monde entier dédiés à la recherche et au développement dans le domaine du graphène.
Il peut être utile dans une variété d'industries:des réseaux énergétiques modernes et des énergies alternatives à la biomédecine. En microélectronique, le graphène peut être utilisé dans des microprocesseurs ultrasensibles, des éléments d'ordinateurs quantiques et des capteurs aux paramètres extrêmes.
— Arséniure de bore
Pas plus tard qu'en juillet 2022, des chercheursdu MIT a déclaré avoir trouvé le meilleur semi-conducteur connu. Il s’est avéré qu’il s’agissait d’arséniure de bore cubique. Ce matériau est un composé d'arsenic et de bore.
Sa conductivité thermique est 10 fois supérieure à celle desilicium De plus, contrairement à ce dernier et à l'arséniure de gallium, le semi-conducteur à base de bore démontre une grande mobilité non seulement pour les électrons, mais aussi pour les trous.
Bien que les scientifiques disent que ce matériaupotentiellement capable de remplacer le silicium, mais, comme pour le graphène, c'est encore très loin. Par exemple, vous devez d'abord développer des moyens peu coûteux de produire ce matériau de haute qualité.
Malgré la grande popularité et l'efficacitésemi-conducteurs en silicium, des analogues sont nécessaires. Les fabricants sont poussés dans cette direction par deux facteurs à la fois. Premièrement, la technologie a presque atteint une limite au-delà de laquelle il sera impossible de créer des appareils toujours plus petits et plus puissants. Et deuxièmement, l'augmentation constante de la demande de silicium entraîne une hausse de son prix.
La crise de production survenue pendant la pandémieLe coronavirus a montré à quel point il est dangereux de se fier à une seule source. Par conséquent, les entreprises et les scientifiques du monde entier travaillent à créer une alternative. Néanmoins, on peut supposer qu'en raison du bon marché, de la disponibilité et de la production bien établie des dispositifs en silicium, ce matériau occupera une position de leader dans la microélectronique pendant un certain temps encore.
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