Od “jednostavnih” kućanskih aparata i računala do solarnih ćelija, tranzistora s efektom polja i dronova
Jasan lider u industriji trenutno je silicij.Ali nije prikladan za sve uređaje; osim toga, fizikalna svojstva poluvodiča ograničavaju mogućnosti daljnje minijaturizacije i povećanja snage čipova i stvaranja fleksibilnih uređaja. Srećom, postoje i drugi alternativni materijali.
Reći ćemo vam kako rade poluvodiči i štopostoje obećavajuće alternative siliciju za stvaranje mikroelektronike. Više o tržištu općenito možete pročitati u srpanjskom izdanju sažetka o robotici “Mikroelektronika. Što manje, to bolje”, koju je pripremilo Sveučilište Innopolis.
Što je poluvodič
Poluvodič je materijal koji prema svojoj specifičnostivodljivost zauzima srednji položaj između vodiča i dielektrika. Tipično, to je kristalna krutina. Provodi struju pod određenim uvjetima, što ga čini idealnim za kontrolu protoka struje.
Poluvodiči u svom normalnom stanju vodemala ili nikakva struja koja ga blokira. Ali s povećanjem temperature ili pod djelovanjem svjetlosti, oni počinju bolje prenositi električne naboje. Također, vodljivost poluvodiča se mijenja kada se unese nečistoća - taj se proces naziva dopiranje.
Važna razlika između poluvodiča i vodičaleži u činjenici da struju u njemu nose ne samo elektroni, već i prazna mjesta koja su oni ostavili - rupe. Rupe koje ostanu u valentnom pojasu mogu biti zauzete elektronima iz nižih energetskih stanja i time pridonijeti protoku struje.
Jedna od ključnih karakteristika poluvodiča jeje pokretljivost nositelja naboja (elektrona i šupljina). Ovo je koeficijent koji pokazuje odnos između prosječne brzine čestice i primijenjenog vanjskog električnog polja. Pokretljivost elektrona i šupljina može biti različita, na primjer, u siliciju se na sobnoj temperaturi negativno nabijene čestice kreću gotovo tri puta brže od pozitivnih.
Osim toga, poluvodiči se razlikuju po širinizabranjena zona. To je minimalna energija potrebna da se elektron pomakne iz valentnog pojasa u vodljivi pojas. Za metale i druge poluvodiče jednaka je 0, a kada se postigne razina od 4 eV ili više, materijal postaje dielektrik.
Druga važna karakteristika poluvodiča je toplinska vodljivost. Pokazuje koliko će brzo i jednostavno biti moguće ukloniti toplinu s komponenti kako bi se uređaj zaštitio od pregrijavanja.
Silicij
Silicij je po količini odmah iza ugljikaobilje kemijskog elementa na Zemlji. Njegova je glavna prednost to što se lako rudari, s kristalima silicija je relativno lako raditi i pružaju dobra ukupna električna i mehanička svojstva. Čak i unatoč relativno maloj mobilnosti elektrona i šupljina, on ostaje optimalan materijal za mikroelektroničku proizvodnju.
Još jedna prednost je što kadakada se koristi u integriranim krugovima, stvara visokokvalitetni silicijev oksid, koji djeluje kao izolacijski sloj između različitih aktivnih elemenata.
Za povećanje gustoće elemenata ibrzina integriranih sklopova koriste se kombinacije elemenata monokristalnog i polikristalnog silicija. A kako bi se povećala vodljivost polikristalnog silicija, dopira se.
Silicijski poluvodiči naširoko se koriste zastvaranje integriranih sklopova, bipolarnih i tranzistora s efektom polja, nabojno spregnutih uređaja, fotodioda velike brzine i mnogih drugih uređaja. A proizvodi na bazi silicija, kao što su superspojni MOSFET-ovi ili IGBT-ovi, mogu se koristiti u širokom rasponu napona (od nekoliko do nekoliko stotina volti) iu različitim klasama snage.
germanij
Živimo u "silikonskoj" eri, a moždaMože se činiti da je mikroelektronika započela s ovim materijalom, ali germanij je bio prvi. Korišten je u mnogim ranim uređajima, od dioda za detekciju radara do prvih tranzistora. Sve do kraja 1960-ih bio je glavni poluvodič koji se koristio u elektroničkim uređajima, a tek početkom 70-ih zamijenio ga je silicij.
Novi "šampion" puno je češći, toJeftiniji je za proizvodnju i ima širi pojasni pojas i bolju toplinsku vodljivost. Ali germanij ima i svoju prednost: nositelji naboja u tom su materijalu znatno pokretljiviji.
Na primjer, na temperaturi od 300 K (oko 27°C), elektroni u "prvom" poluvodiču kreću se gotovo tri puta brže od onih u siliciju, a šupljine se kreću gotovo četiri puta brže.
Iako germanij nije prikladan za modernemikroelektronici, zbog tih svojstava još uvijek se koristi u nekim RF uređajima. Na primjer, koristi se za izradu mikrovalnih uređaja, audio opreme, kao i opreme male snage i precizne opreme.
galijev arsenid
Galijev arsenid je drugi po veličiniuobičajeni poluvodič koji se danas koristi. Za razliku od silicija i germanija, galijev arsenid je spoj, a ne element, a dobiva se spajanjem trovalentnog galija s arsenom koji ima pet valentnih elektrona.
Veliki razmak između pojaseva i visokMobilnost elektrona uzrokuje da uređaji s galijevim arsenidom brzo reagiraju na električne signale, što ovaj spoj čini pogodnim za pojačavanje visokofrekventnih signala. Osim toga, ovaj materijal pokazao je svoju učinkovitost na visokim temperaturama i dobru otpornost na zračenje.
Galijev arsenid dugo se koristi umikroelektronike, pa se otklanjaju pogreške u proizvodnji uređaja koji se temelje na njoj. Zbog svojih posebnih svojstava materijal se uglavnom koristi za izradu mikrovalnih mikroelektroničkih uređaja: digitalnih i analognih integriranih sklopova, diskretnih tranzistora s efektom polja i Gunnovih dioda, koji rade bez p-n spoja na račun vlastitih sredstava materijala. Osim toga, mikrosklopovi na bazi galijevog arsenida koriste se u proizvodnji mobilnih telefona, mikrovalnih uređaja, satelitskih komunikacijskih uređaja i nekih radarskih sustava.
Međutim, to je krti materijal s manjepokretljivost rupa od silicija, što onemogućuje stvaranje uređaja kao što su, na primjer, CMOS tranzistori, brzi i štedljivi elektronički sklopovi. Također ga je relativno teško proizvesti, što povećava cijenu uređaja s galijevim arsenidom. I ima prilično nisku toplinsku vodljivost, što povećava rizik od pregrijavanja uređaja.
Materijali budućnosti
— Dijamant
Dijamant ima zabranjeni pojas veći od 3 eV, pa je po definiciji dielektrik. Međutim, kada se dodaju nečistoće, dragi kamen postaje poluvodič.
Teoretski dijamantni poluvodičUređaji imaju izvrsna fizička svojstva, uključujući visoku toplinsku vodljivost, jakost probojnog polja i pokretljivost nosača. To će značajno smanjiti gubitke, brzo raspršiti toplinu i povećati vijek trajanja uređaja. Osim toga, može raditi s izlaznom snagom i energetskom učinkovitošću 50.000 puta većom od silikonskih uređaja i 1.200 puta većom frekvencijom.
Međutim, za industrijske primjene u elektroničkomPoluvodički uređaji zahtijevaju visokokvalitetne dijamantne pločice velike veličine. Iako pokušaji stvaranja dijamantnih alata traju već dugi niz godina. Do sada problemi povezani s legiranjem i obradom materijala nisu riješeni.
— grafen
Grafen je dvodimenzionalna alotropska modifikacijaugljik. Grafen ima potencijal nadmašiti silicij kao svestrani poluvodički materijal, predviđa McKinsey, no moglo bi proći i do 25 godina prije široke komercijalizacije.
Glavna karakteristika ovog materijala je fleksibilnost,pa se od njega mogu proizvoditi različiti složeni uređaji. Ovaj se materijal smatra obećavajućim za daljnju upotrebu, a diljem svijeta postoje čitavi instituti posvećeni istraživanju i razvoju u području grafena.
Može biti koristan u raznim industrijama:od modernih energetskih mreža i alternativne energije do biomedicine. U mikroelektronici se grafen može koristiti u ultraosjetljivim mikroprocesorima, elementima kvantnih računala i senzorima s ekstremnim parametrima.
— Borov arsenid
Još u srpnju 2022. istraživačis MIT-a rekli su da su pronašli najbolji poznati poluvodič. Ispostavilo se da je to kubični bor arsenid. Taj je materijal spoj arsena i bora.
Njegova toplinska vodljivost je 10 puta veća odsilicij Štoviše, za razliku od potonjeg i galijevog arsenida, poluvodič na bazi bora pokazuje visoku mobilnost ne samo za elektrone, već i za rupe.
Iako znanstvenici kažu da ovaj materijalpotencijalno mogao zamijeniti silicij, ali, kao i kod grafena, to je još jako daleko. Na primjer, prvo morate razviti jeftine načine za proizvodnju ovog materijala visoke kvalitete.
Unatoč velikoj popularnosti i učinkovitostisilicijski poluvodiči, potrebni su analozi. Proizvođače na to guraju dva čimbenika odjednom. Prvo, tehnologija je gotovo dosegla granicu iza koje će biti nemoguće stvarati sve manje i moćnije uređaje. I drugo, stalni rast potražnje za silicijem dovodi do njegovog poskupljenja.
Kriza proizvodnje nastala tijekom pandemijekoronavirus je pokazao koliko je opasno oslanjati se na jedan izvor. Stoga tvrtke i znanstvenici diljem svijeta rade na stvaranju alternative. Ipak, može se pretpostaviti da će zbog jeftinosti, dostupnosti i dobro uhodane proizvodnje silicijevih uređaja ovaj materijal još neko vrijeme držati vodeću poziciju u mikroelektronici.
Čitaj više:
“Ovo je znanstvena fantastika”: znanstvenici stvaraju temeljno novu vrstu kvantnih računala
Što su supergeni i kako čine životinje tako čudnima
ISS "gađa" Zemlju laserskim zrakama: zašto je to potrebno i kako radi