Az „egyszerű” háztartási gépektől és számítógépektől a napelemekig, terepi tranzisztorokig és drónokig
Az iparágban jelenleg a szilícium az egyértelmű vezető.De nem minden eszközhöz alkalmas, ráadásul a félvezető fizikai tulajdonságai korlátozzák a chipek további miniatürizálásának és teljesítményének növelésének, valamint rugalmas eszközök létrehozásának lehetőségét. Szerencsére vannak más alternatív anyagok is.
Elmondjuk, hogyan működnek a félvezetők és mita szilíciumnak vannak ígéretes alternatívái a mikroelektronika létrehozására. A piacról általánosságban bővebben a „Mikroelektronika. Minél kevesebb, annál jobb”, készítette az Innopolis Egyetem.
Mi az a félvezető
A félvezető olyan anyag, amely sajátossága szerintA vezetőképesség egy közbenső helyet foglal el a vezetők és a dielektrikumok között. Jellemzően kristályos szilárd anyag. Bizonyos körülmények között vezeti az elektromosságot, így ideális az áram áramlásának szabályozására.
Félvezetők normál állapotukbankevés vagy semmilyen áram nem blokkolja. De a hőmérséklet emelkedésével vagy a fény hatására jobban átadják az elektromos töltéseket. Ezenkívül a félvezetők vezetőképessége megváltozik, amikor szennyeződést vezetnek be - ezt a folyamatot doppingnak nevezik.
Fontos különbség a félvezető és a vezető közöttabban rejlik, hogy a benne lévő áramot nemcsak az elektronok szállítják, hanem az általuk hagyott üres helyek - lyukak is. A vegyértéksávban maradó lyukakat alacsonyabb energiaállapotú elektronok foglalhatják el, és ezáltal hozzájárulhatnak az áram áramlásához.
A félvezetők egyik legfontosabb jellemzőjea töltéshordozók (elektronok és lyukak) mobilitása. Ez egy olyan együttható, amely megmutatja az átlagos részecskesebesség és az alkalmazott külső elektromos tér közötti kapcsolatot. Az elektronok és lyukak mobilitása eltérő lehet, például a szilíciumban szobahőmérsékleten a negatív töltésű részecskék közel háromszor gyorsabban mozognak, mint a pozitívak.
Ezenkívül a félvezetők szélessége változótiltott zóna. Ez az a minimális energia, amely szükséges ahhoz, hogy egy elektron a vegyértéksávból a vezetési sávba kerüljön. Fémeknél és más félvezetőknél ez egyenlő 0-val, és amikor eléri a 4 eV-os vagy nagyobb szintet, az anyag dielektrikummá válik.
A félvezetők másik fontos jellemzője a hővezető képesség. Megmutatja, hogy milyen gyorsan és egyszerűen lehet eltávolítani a hőt az alkatrészekről, hogy megóvja a készüléket a túlmelegedéstől.
Szilícium
A szilícium csak a második helyen áll a szén utánkémiai elem bősége a Földön. Fő előnye, hogy könnyen bányászható, a szilíciumkristályokkal viszonylag könnyű megmunkálni, és jó általános elektromos és mechanikai tulajdonságokat biztosítanak. Még az elektronok és lyukak viszonylag alacsony mobilitása ellenére is ez az optimális anyag a mikroelektronikai gyártáshoz.
További előnye, hogy mikorintegrált áramkörökben használva kiváló minőségű szilícium-oxidot képez, amely szigetelő rétegként működik a különböző aktív elemek között.
Az elemek sűrűségének növelésére ésintegrált áramkörök sebességét, egykristály és polikristályos szilícium elemek kombinációit használják. A polikristályos szilícium vezetőképességének növelése érdekében adalékolt.
A szilícium félvezetőket széles körben használjákintegrált áramkörök, bipoláris és térhatású tranzisztorok, töltéscsatolt eszközök, nagy sebességű fotodiódák és sok más eszköz létrehozása. A szilícium alapú termékek, például a szuper-csomópontos MOSFET-ek vagy az IGBT-k pedig széles feszültségtartományban (néhánytól több száz voltig) és különféle teljesítményosztályokban használhatók.
Germánium
A „szilícium” korszakban élünk, és talánÚgy tűnhet, hogy a mikroelektronika ezzel az anyaggal kezdődött, de a germánium volt az első. Számos korai eszközben használták, a radarérzékelő diódáktól az első tranzisztorokig. Az 1960-as évek végéig ez volt az elektronikai eszközökben használt fő félvezető, és csak a 70-es évek elején váltotta fel szilícium.
Az új "bajnok" sokkal gyakoribb, ezOlcsóbb az előállítása, szélesebb a sávszélessége és jobb a hővezető képessége. De a germániumnak is megvan a maga előnye: ebben az anyagban a töltéshordozók sokkal mozgékonyabbak.
Például 300 K (kb. 27°C) hőmérsékleten az „első” félvezető elektronjai csaknem háromszor gyorsabban mozognak, mint a szilíciumé, a lyukak pedig csaknem négyszer gyorsabban.
Bár a germánium nem alkalmas a modernmikroelektronika, ezen tulajdonságai miatt egyes RF eszközökben még mindig használják. Például mikrohullámú készülékek, audioberendezések, valamint kis teljesítményű és precíziós berendezések létrehozására használják.
gallium-arzenid
A gallium-arzenid a második legtöbbma használatos általános félvezető. A szilíciummal és a germániummal ellentétben a gallium-arzenid vegyület, nem elem, és a három vegyértékű gallium és az öt vegyértékelektront tartalmazó arzén kombinálásával nyerik.
Nagy sávszélesség és magasAz elektronok mobilitása miatt a gallium-arzenid eszközök gyorsan reagálnak az elektromos jelekre, így ez a vegyület alkalmas nagyfrekvenciás jelek erősítésére. Ezenkívül ez az anyag megmutatta hatékonyságát magas hőmérsékleten és jó sugárzásállóságát.
A gallium-arzenidet régóta használjákmikroelektronika, így az erre épülő eszközök gyártása hibakeresésre kerül. Speciális tulajdonságai miatt az anyagot elsősorban mikrohullámú mikroelektronikai eszközök készítésére használják: digitális és analóg integrált áramkörök, diszkrét térhatású tranzisztorok és Gunn diódák, amelyek p-n átmenet nélkül működnek az anyag saját forrásainak terhére. Ezenkívül gallium-arzenid alapú mikroáramköröket használnak mobiltelefonok, mikrohullámú készülékek, műholdas kommunikációs eszközök és egyes radarrendszerek gyártásához.
Ez azonban egy törékeny anyag, kevesebblyuk mobilitás, mint a szilícium, ami lehetetlenné teszi olyan eszközök létrehozását, mint például CMOS tranzisztorok, nagy sebességű és energiatakarékos elektronikus áramkörök. Előállítása is viszonylag nehéz, ami növeli a gallium-arzenid eszközök költségeit. És meglehetősen alacsony hővezető képességgel rendelkezik, ami növeli az eszközök túlmelegedésének kockázatát.
A jövő anyagai
— Gyémántok
A gyémánt sávszélessége nagyobb, mint 3 eV, tehát értelemszerűen dielektrikum. Ha azonban szennyeződéseket adnak hozzá, a drágakő félvezetővé válik.
Elméletileg gyémánt félvezetőAz eszközök kiváló fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, beleértve a nagy hővezető képességet, a letörési térerőt és a hordozó mobilitását. Ez jelentősen csökkenti a veszteségeket, gyorsan elvezeti a hőt és növeli az eszközök élettartamát. Ezenkívül a szilícium eszközöknél 50 000-szer nagyobb kimeneti teljesítménnyel és energiahatékonysággal, valamint 1200-szor nagyobb frekvenciával tud működni.
Azonban az elektronikus ipari alkalmazásokhozA félvezető eszközök kiváló minőségű, nagy méretű gyémánt lapkákat igényelnek. Bár a gyémántszerszámok létrehozására tett kísérletek évek óta folynak. Eddig az anyag ötvözésével és feldolgozásával kapcsolatos problémákat nem sikerült megoldani.
— Grafén
A grafén egy kétdimenziós allotróp módosulatszén. A McKinsey előrejelzése szerint a grafén meghaladhatja a szilíciumot, mint sokoldalú félvezető anyag, de akár 25 évbe is telhet, mire széles körben elterjed.
Ennek az anyagnak a fő jellemzője a rugalmasság,ezért különféle komplex eszközök állíthatók elő belőle. Ez az anyag ígéretesnek tekinthető további felhasználása szempontjából, és a világon egész intézetek foglalkoznak a grafén kutatásával és fejlesztésével.
Számos iparágban hasznos lehet:a modern energiahálózatoktól és az alternatív energiától a biomedicináig. A mikroelektronikában a grafén használható ultraérzékeny mikroprocesszorokban, kvantumszámítógépek elemeiben, extrém paraméterekkel rendelkező érzékelőkben.
— Bór-arzenid
A kutatók még 2022 júliusábanaz MIT szerint megtalálták a legjobb ismert félvezetőt. Kiderült, hogy köbös bór-arzenid. Ez az anyag arzén és bór vegyülete.
Hővezető képessége 10-szer nagyobb, mint aszilícium Ráadásul az utóbbival és a gallium-arzeniddel ellentétben a bór alapú félvezető nemcsak az elektronok, hanem a lyukak esetében is nagy mobilitást mutat.
Bár a tudósok azt mondják, hogy ez az anyagpotenciálisan képes helyettesíteni a szilíciumot, de a grafénhez hasonlóan ez is nagyon messze van. Például először olcsó módszereket kell kidolgoznia ennek az anyagnak a kiváló minőségű előállításához.
A nagy népszerűség és hatékonyság ellenéreszilícium félvezetőkre, analógokra van szükség. A gyártókat egyszerre két tényező is kényszeríti erre. Először is, a technológia majdnem elérte azt a határt, amelyen túl lehetetlen lesz egyre kisebb és erősebb eszközöket létrehozni. Másodsorban pedig a szilícium iránti kereslet folyamatos növekedése annak drágulásához vezet.
A világjárvány idején kialakult termelési válságA koronavírus megmutatta, mennyire veszélyes egyetlen forrásra hagyatkozni. Ezért a vállalatok és a tudósok világszerte azon dolgoznak, hogy alternatívát hozzanak létre. Ennek ellenére feltételezhető, hogy a szilícium eszközök olcsósága, elérhetősége és jól bevált gyártása miatt ez az anyag még egy ideig vezető pozíciót tölt be a mikroelektronikában.
Olvass tovább:
„Ez sci-fi”: a tudósok alapvetően új típusú kvantumszámítógépeket hoznak létre
Mik azok a szupergének, és hogyan teszik ilyen furcsává az állatokat
Az ISS lézersugarat "lő" a Földre: miért van rá szükség és hogyan működik