ממכשירי חשמל ומחשבים ביתיים "פשוטים" ועד לתאים סולאריים, טרנזיסטורים עם אפקט שדה ומזל"טים
המנהיג המובהק בתעשייה כרגע הוא הסיליקון.אבל זה לא מתאים לכל המכשירים; בנוסף, התכונות הפיזיקליות של המוליך למחצה מגבילות את האפשרויות למזעור נוסף והגדלת כוחם של שבבים ויצירת מכשירים גמישים. למרבה המזל, ישנם חומרים חלופיים אחרים.
אנו מספרים לך איך מוליכים למחצה עובדים ומהיש חלופות מבטיחות לסיליקון ליצירת מיקרואלקטרוניקה. עוד על השוק בכלל תוכלו לקרוא בגיליון יולי של התקציר על רובוטיקה "מיקרואלקטרוניקה. כמה שפחות, יותר טוב", הוכנה על ידי אוניברסיטת אינופוליס.
מהו מוליך למחצה
מוליך למחצה הוא חומר שעל פי הספציפיות שלומוליכות היא ביניים בין מוליכים ודיאלקטריים. בדרך כלל, זהו מוצק גבישי. הוא מוליך חשמל בתנאים מסוימים, מה שהופך אותו לאידיאלי לשליטה בזרימת הזרם.
מוליכים למחצה בהתנהלותם הרגילה במצבםזרם מועט או לא חוסם אותו. אבל עם עלייה בטמפרטורה או בהשפעת האור, הם מתחילים להעביר טוב יותר מטענים חשמליים. כמו כן, המוליכות של מוליכים למחצה משתנה כאשר מוכנסת טומאה - תהליך זה נקרא סימום.
הבדל חשוב בין מוליך למחצה למנצחטמון בעובדה שהזרם בו נישא לא רק על ידי אלקטרונים, אלא גם על ידי המקומות הפנויים שנותרו על ידם - חורים. חורים שנותרו ברצועת הערכיות יכולים להיתפס על ידי אלקטרונים ממצבי אנרגיה נמוכים יותר ובכך לתרום לזרימת הזרם.
אחד המאפיינים המרכזיים של מוליך למחצה הואהיא הניידות של נושאי מטען (אלקטרונים וחורים). זהו מקדם המראה את הקשר בין מהירות החלקיקים הממוצעת לשדה החשמלי החיצוני המופעל. הניידות של אלקטרונים וחורים יכולה להיות שונה, למשל, בסיליקון בטמפרטורת החדר, חלקיקים בעלי מטען שלילי נעים כמעט פי שלושה מהר יותר מאשר חיוביים.
בנוסף, מוליכים למחצה משתנים ברוחבאזור אסור. זוהי האנרגיה המינימלית הנדרשת כדי להעביר אלקטרון מפס הערכיות לפס ההולכה. עבור מתכות ומוליכים למחצה אחרים, הוא שווה ל-0, וכאשר מגיעים לרמה של 4 eV או יותר, החומר הופך לדיאלקטרי.
מאפיין חשוב נוסף של מוליכים למחצה הוא מוליכות תרמית. הוא מראה באיזו מהירות ובקלות ניתן יהיה להסיר חום מהרכיבים על מנת להגן על המכשיר מפני התחממות יתר.
סִילִיקוֹן
הסיליקון הוא שני רק לפחמן מבחינתשפע של יסוד כימי על פני כדור הארץ. היתרון העיקרי שלו הוא שקל לכרות, גבישי סיליקון קלים יחסית לעבודה, ומספקים תכונות חשמליות ומכאניות טובות. גם למרות הניידות הנמוכה יחסית של אלקטרונים וחורים, הוא נשאר החומר האופטימלי לייצור מיקרואלקטרוני.
יתרון נוסף הוא שמתיבשימוש במעגלים משולבים, הוא יוצר תחמוצת סיליקון באיכות גבוהה, הפועל כשכבה מבודדת בין אלמנטים פעילים שונים.
כדי להגדיל את צפיפות האלמנטים ומהירות של מעגלים משולבים, שילובים של אלמנטים של סיליקון חד-גביש ופולי-גבישי משמשים. וכדי להגביר את המוליכות של סיליקון פוליקריסטלי, הוא מסומם.
מוליכים למחצה סיליקון נמצאים בשימוש נרחב עבוריצירת מעגלים משולבים, טרנזיסטורים דו-קוטביים ואפקט-שדה, התקנים מצמדי מטען, פוטו-דיודות מהירות והתקנים רבים אחרים. ומוצרים מבוססי סיליקון, כגון MOSFETs או IGBT, יכולים לשמש במגוון רחב של מתחים (מכמה עד כמה מאות וולטים) ובסוגי הספק שונים.
גרמניום
אנחנו חיים בעידן ה"סיליקון", ואוליאולי נראה שמיקרואלקטרוניקה התחילה עם החומר הזה, אבל גרמניום היה הראשון. הוא שימש במכשירים מוקדמים רבים, מדיודות זיהוי מכ"ם ועד לטרנזיסטורים הראשונים. עד סוף שנות ה-60 הוא היה המוליך למחצה העיקרי בשימוש במכשירים אלקטרוניים, ורק בתחילת שנות ה-70 הוא הוחלף בסיליקון.
ה"אלוף" החדש הרבה יותר נפוץ, זההוא זול יותר לייצור ובעל מרווח פס רחב יותר ומוליכות תרמית טובה יותר. אבל לגרמניום יש גם יתרון: נושאי המטען בחומר הזה הם הרבה יותר ניידים.
לדוגמה, בטמפרטורה של 300 K (כ-27 מעלות צלזיוס), האלקטרונים במוליך למחצה "הראשון" נעים כמעט פי שלושה מהר יותר מאלו של הסיליקון, והחורים נעים כמעט פי ארבעה מהר יותר.
למרות שגרמניום אינו מתאים למודרנימיקרואלקטרוניקה, בשל מאפיינים אלה היא עדיין בשימוש במכשירי תדר רדיו מסוימים. לדוגמה, הוא משמש ליצירת מכשירי מיקרוגל, ציוד שמע, כמו גם ציוד בעל הספק נמוך ודיוק.
גליום ארסניד
גליום ארסניד הוא השני בגודלומוליך למחצה נפוץ בשימוש כיום. בניגוד לסיליקון וגרמניום, גליום ארסניד הוא תרכובת, לא יסוד, והוא מתקבל על ידי שילוב גליום תלת ערכי עם ארסן, שיש לו חמישה אלקטרונים ערכיים.
מרווח פס גדול וגבוהניידות האלקטרונים גורמת למכשירי גליום ארסניד להגיב במהירות לאותות חשמליים, מה שהופך את התרכובת הזו למתאימה להגברת אותות בתדר גבוה. בנוסף, חומר זה הראה את יעילותו בטמפרטורות גבוהות ועמידות טובה לקרינה.
גליום ארסניד שימש כבר זמן רב במיקרו-אלקטרוניקה, כך שהייצור של מכשירים המבוססים עליו מתבצע באגים. בשל תכונותיו המיוחדות, החומר משמש בעיקר ליצירת מכשירים מיקרו-אלקטרוניים במיקרוגל: מעגלים משולבים דיגיטליים ואנלוגיים, טרנזיסטורי אפקט שדה דיסקרטיים ודיודות Gunn, הפועלות ללא צומת p-n על חשבון הכספים של החומר עצמו. בנוסף, מיקרו-מעגלים מבוססי גליום ארסניד משמשים לייצור טלפונים ניידים, מכשירי מיקרוגל, מכשירי תקשורת לוויינים וכמה מערכות מכ"ם.
עם זאת, זהו חומר שביר עם פחותניידות חורים מאשר סיליקון, מה שלא מאפשר ליצור מכשירים כמו, למשל, טרנזיסטורי CMOS, מעגלים אלקטרוניים מהירים וחיסכון באנרגיה. זה גם קשה יחסית לייצור, מה שמוסיף לעלות של מכשירי גליום ארסניד. ויש לו מוליכות תרמית נמוכה למדי, מה שמגביר את הסיכון להתחממות יתר של מכשירים.
חומרי העתיד
— יהלומים
ליהלום יש פער פס גדול מ-3 eV, כך שבהגדרה הוא דיאלקטרי. עם זאת, כאשר מוסיפים זיהומים, אבן החן הופכת למוליך למחצה.
תיאורטית מוליך למחצה יהלוםלמכשירים תכונות פיזיקליות מצוינות, לרבות מוליכות תרמית גבוהה, חוזק שדה התמוטטות וניידות הנשא. זה יקטין משמעותית את ההפסדים, יפזר במהירות את החום ויגדיל את חיי השירות של המכשירים. בנוסף, הוא יכול לפעול בהספק מוצא ויעילות אנרגטית גבוהים פי 50,000 ממכשירי סיליקון ובתדר גבוה פי 1,200.
עם זאת, עבור יישומים תעשייתיים באלקטרוניקההתקני מוליכים למחצה דורשים פרוסות יהלומים באיכות גבוהה בגודל גדול. למרות שניסיונות ליצור כלי יהלום נמשכים כבר שנים רבות. עד כה, הבעיות הקשורות בסגסוג ועיבוד החומר לא נפתרו.
— גרפן
גרפן הוא שינוי אלוטרופי דו מימדיפַּחמָן. לגרפן יש פוטנציאל להתעלות על הסיליקון כחומר מוליכים למחצה רב-תכליתי, צופה מקינזי, אבל זה עשוי לקחת עד 25 שנים עד למסחור נרחב.
המאפיין המרכזי של חומר זה הוא גמישות,לכן, ניתן לייצר ממנו מכשירים מורכבים שונים. חומר זה נחשב למבטיח לשימוש נוסף בו, וישנם מכונים שלמים ברחבי העולם המוקדשים למחקר ופיתוח בתחום הגרפן.
זה יכול להיות שימושי במגוון תעשיות:מרשתות אנרגיה מודרניות ואנרגיה חלופית ועד ביו-רפואה. במיקרו-אלקטרוניקה ניתן להשתמש בגרפן במיקרו-מעבדים רגישים במיוחד, אלמנטים של מחשבים קוונטיים וחיישנים בעלי פרמטרים קיצוניים.
— בורון ארסניד
עוד ביולי 2022, חוקריםמ-MIT אמרו שהם מצאו את המוליך למחצה הטוב ביותר הידוע. התברר שזה ארסניד בורון מעוקב. חומר זה הוא תרכובת של ארסן ובורון.
המוליכות התרמית שלו גדולה פי 10 מזו שלסִילִיקוֹן יתרה מזאת, שלא כמו האחרון וגליום ארסניד, המוליך למחצה מבוסס בורון מפגין ניידות גבוהה לא רק עבור אלקטרונים, אלא גם עבור חורים.
למרות המדענים אומרים כי החומר הזהיכול להחליף סיליקון, אבל, כמו עם גרפן, זה עדיין רחוק מאוד. לדוגמה, ראשית עליך לפתח דרכים זולות לייצר חומר זה באיכות גבוהה.
למרות הפופולריות והיעילות הגבוהותיש צורך במוליכים למחצה סיליקון, אנלוגים. היצרנים נדחפים לכך על ידי שני גורמים בו זמנית. ראשית, הטכנולוגיה כמעט הגיעה לגבול שמעבר לו אי אפשר יהיה ליצור מכשירים קטנים וחזקים יותר מתמיד. ושנית, העלייה המתמדת בביקוש לסיליקון מביאה לעליית מחירו.
משבר הייצור שהתעורר במהלך המגיפהנגיף הקורונה הראה עד כמה מסוכן להסתמך על מקור יחיד. לכן, חברות ומדענים ברחבי העולם פועלים ליצירת אלטרנטיבה. עם זאת, ניתן להניח כי בשל הזולות, הזמינות והייצור המבוסס של מכשירי סיליקון, חומר זה יחזיק מעמד מוביל במיקרו-אלקטרוניקה עוד זמן מה.
קרא עוד:
"זהו מדע בדיוני": מדענים יוצרים סוג חדש ביסודו של מחשבים קוונטיים
מהם גנים-על ואיך הם הופכים חיות כל כך מוזרות
ה-ISS "יורה" קרני לייזר לעבר כדור הארץ: למה זה נחוץ ואיך זה עובד