Dai “semplici” elettrodomestici e computer alle celle solari, ai transistor ad effetto di campo e ai droni
Il leader indiscusso nel settore in questo momento è il silicio.Ma non è adatto a tutti i dispositivi; inoltre, le proprietà fisiche del semiconduttore limitano le possibilità di ulteriore miniaturizzazione e aumento della potenza dei chip e la creazione di dispositivi flessibili. Fortunatamente esistono altri materiali alternativi.
Vi diciamo come funzionano i semiconduttori e cosaesistono alternative promettenti al silicio per la creazione di microelettronica. Puoi leggere di più sul mercato in generale nel numero di luglio del digest sulla robotica “Microelettronica. Meno, meglio è”, a cura dell'Università di Innopolis.
Cos'è un semiconduttore
Un semiconduttore è un materiale che, secondo le sue specifichela conducibilità è intermedia tra conduttori e dielettrici. Tipicamente, è un solido cristallino. Conduce l'elettricità in determinate condizioni, il che lo rende ideale per controllare il flusso di corrente.
Semiconduttori nella loro normale condotta di statopoca o nessuna corrente lo blocca. Ma con un aumento della temperatura o sotto l'influenza della luce, iniziano a trasmettere meglio le cariche elettriche. Inoltre, la conduttività dei semiconduttori cambia quando viene introdotta un'impurità: questo processo è chiamato doping.
Differenza importante tra un semiconduttore e un conduttoresta nel fatto che la corrente al suo interno è trasportata non solo dagli elettroni, ma anche dai posti vacanti lasciati da essi: i buchi. Le lacune rimanenti nella banda di valenza possono essere occupate da elettroni provenienti da stati energetici inferiori e quindi contribuire al flusso di corrente.
Una delle caratteristiche chiave di un semiconduttore èè la mobilità dei portatori di carica (elettroni e lacune). Questo è un coefficiente che mostra la relazione tra la velocità media delle particelle e il campo elettrico esterno applicato. La mobilità di elettroni e lacune può essere diversa, ad esempio, nel silicio a temperatura ambiente, le particelle cariche negativamente si muovono quasi tre volte più velocemente di quelle positive.
Inoltre, i semiconduttori variano in larghezzazona proibita. Questa è l'energia minima richiesta per spostare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Per metalli e altri semiconduttori è uguale a 0 e quando si raggiunge un livello di 4 eV o più, il materiale diventa un dielettrico.
Un'altra importante caratteristica dei semiconduttori è la conduttività termica. Mostra quanto velocemente e facilmente sarà possibile rimuovere il calore dai componenti per proteggere il dispositivo dal surriscaldamento.
Silicio
Il silicio è secondo solo al carbonio in termini diabbondanza di un elemento chimico sulla Terra. Il suo principale vantaggio è che è facile da estrarre, i cristalli di silicio sono relativamente facili da lavorare e forniscono buone proprietà elettriche e meccaniche complessive. Nonostante la mobilità relativamente bassa di elettroni e lacune, rimane il materiale ottimale per la produzione microelettronica.
Un altro vantaggio è che quandoquando utilizzato nei circuiti integrati, forma ossido di silicio di alta qualità, che funge da strato isolante tra i vari elementi attivi.
Per aumentare la densità degli elementi evelocità dei circuiti integrati, vengono utilizzate combinazioni di elementi di silicio monocristallino e policristallino. E per aumentare la conduttività del silicio policristallino, viene drogato.
I semiconduttori di silicio sono ampiamente utilizzati perrealizzazione di circuiti integrati, transistor bipolari e ad effetto di campo, dispositivi ad accoppiamento di carica, fotodiodi ad alta velocità e molti altri dispositivi. E i prodotti a base di silicio, come MOSFET a supergiunzione o IGBT, possono essere utilizzati in un'ampia gamma di tensioni (da poche a diverse centinaia di volt) e in varie classi di potenza.
Germanio
Viviamo nell’era del “silicio”, e forsePuò sembrare che la microelettronica abbia avuto inizio con questo materiale, ma il primo è stato il germanio. È stato utilizzato in molti dei primi dispositivi, dai diodi di rilevamento radar ai primi transistor. Fino alla fine degli anni '60 è stato il principale semiconduttore utilizzato nei dispositivi elettronici e solo all'inizio degli anni '70 è stato sostituito dal silicio.
Il nuovo "campione" è molto più comuneÈ più economico da produrre e ha una banda proibita più ampia e una migliore conduttività termica. Ma il germanio ha anche il suo vantaggio: i portatori di carica in questo materiale sono molto più mobili.
Ad esempio, a una temperatura di 300 K (circa 27°C), gli elettroni nel "primo" semiconduttore si muovono quasi tre volte più velocemente di quelli del silicio e le lacune si muovono quasi quattro volte più velocemente.
Sebbene il germanio non sia adatto al modernomicroelettronica, per queste sue proprietà è ancora utilizzata in alcuni dispositivi a radiofrequenza. Ad esempio, viene utilizzato per creare dispositivi a microonde, apparecchiature audio, nonché apparecchiature a bassa potenza e di precisione.
arseniuro di gallio
L'arseniuro di gallio è il secondo piùsemiconduttore comune in uso oggi. A differenza del silicio e del germanio, l'arseniuro di gallio è un composto, non un elemento, e si ottiene combinando il gallio trivalente con l'arsenico, che ha cinque elettroni di valenza.
Bandgap ampio e altoLa mobilità degli elettroni fa sì che i dispositivi di arseniuro di gallio rispondano rapidamente ai segnali elettrici, rendendo questo composto adatto per amplificare segnali ad alta frequenza. Inoltre, questo materiale ha dimostrato la sua efficienza alle alte temperature e una buona resistenza alle radiazioni.
L'arseniuro di gallio è stato a lungo utilizzatomicroelettronica, quindi viene eseguito il debug della produzione di dispositivi basati su di essa. Grazie alle sue proprietà speciali, il materiale viene utilizzato principalmente per creare dispositivi microelettronici a microonde: circuiti integrati digitali e analogici, transistor discreti ad effetto di campo e diodi Gunn, che funzionano senza una giunzione p-n a spese dei fondi del materiale. Inoltre, i microcircuiti a base di arseniuro di gallio vengono utilizzati nella produzione di telefoni cellulari, dispositivi a microonde, dispositivi di comunicazione satellitare e alcuni sistemi radar.
Tuttavia, è un materiale fragile con menomobilità dei fori rispetto al silicio, il che rende impossibile la realizzazione di dispositivi come, ad esempio, transistor CMOS, circuiti elettronici ad alta velocità ea risparmio energetico. È anche relativamente difficile da fabbricare, aumentando il costo dei dispositivi di arseniuro di gallio. E ha una conduttività termica abbastanza bassa, che aumenta il rischio di surriscaldamento dei dispositivi.
Materiali del futuro
— Diamanti
Il diamante ha una banda proibita maggiore di 3 eV, quindi per definizione è un dielettrico. Tuttavia, quando vengono aggiunte impurità, la pietra preziosa diventa un semiconduttore.
Teoricamente semiconduttore diamantatoI dispositivi hanno eccellenti proprietà fisiche, tra cui un'elevata conduttività termica, intensità del campo di rottura e mobilità del vettore. Ciò ridurrà significativamente le perdite, dissiperà rapidamente il calore e aumenterà la durata dei dispositivi. Inoltre, può funzionare con una potenza di uscita e un'efficienza energetica 50.000 volte superiori rispetto ai dispositivi al silicio e una frequenza 1.200 volte superiore.
Tuttavia, per applicazioni industriali in elettronicaI dispositivi a semiconduttore richiedono wafer diamantati di alta qualità e di grandi dimensioni. Sebbene i tentativi di creare utensili diamantati siano in corso da molti anni. Finora, i problemi associati alla lega e alla lavorazione del materiale non sono stati risolti.
— Grafene
Il grafene è una modifica allotropica bidimensionalecarbonio. Il grafene ha il potenziale per superare il silicio come materiale semiconduttore versatile, prevede McKinsey, ma potrebbero essere necessari fino a 25 anni prima della commercializzazione diffusa.
La caratteristica fondamentale di questo materiale è la flessibilità,pertanto, da esso possono essere prodotti vari dispositivi complessi. Questo materiale è considerato promettente per un suo ulteriore utilizzo e ci sono interi istituti in tutto il mondo dedicati alla ricerca e sviluppo nel campo del grafene.
Può essere utile in diversi settori:dalle moderne reti energetiche e dalle energie alternative alla biomedicina. Nella microelettronica, il grafene può essere utilizzato in microprocessori ultrasensibili, elementi di computer quantistici e sensori con parametri estremi.
— Arseniuro di boro
Fino al luglio 2022, i ricercatoridel MIT hanno dichiarato di aver trovato il miglior semiconduttore conosciuto. Risultò essere arseniuro di boro cubico. Questo materiale è un composto di arsenico e boro.
La sua conduttività termica è 10 volte maggiore di quella delsilicio Inoltre, a differenza di quest'ultimo e dell'arseniuro di gallio, il semiconduttore a base di boro dimostra un'elevata mobilità non solo per gli elettroni, ma anche per le lacune.
Anche se gli scienziati dicono che questo materialepotenzialmente in grado di sostituire il silicio, ma, come con il grafene, questo è ancora molto lontano. Ad esempio, per prima cosa devi sviluppare modi economici per produrre questo materiale di alta qualità.
Nonostante l'elevata popolarità ed efficaciasemiconduttori di silicio, sono necessari analoghi. I produttori sono spinti verso questo obiettivo da due fattori contemporaneamente. Innanzitutto la tecnologia ha quasi raggiunto un limite oltre il quale sarà impossibile realizzare dispositivi sempre più piccoli e potenti. In secondo luogo, il costante aumento della domanda di silicio porta al suo aumento del prezzo.
La crisi produttiva sorta durante la pandemiail coronavirus ha dimostrato quanto sia pericoloso affidarsi a un'unica fonte. Pertanto, aziende e scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per creare un'alternativa. Tuttavia, si può presumere che, a causa dell'economicità, della disponibilità e della produzione consolidata di dispositivi al silicio, questo materiale occuperà una posizione di primo piano nella microelettronica per qualche tempo a venire.
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