「シンプルな」家電製品やコンピュータから、太陽電池、電界効果トランジスタ、ドローンまで
現在、業界の明確なリーダーはシリコンです。しかし、これはすべてのデバイスに適しているわけではありません。さらに、半導体の物理的特性により、チップのさらなる小型化と出力向上、およびフレキシブル デバイスの作成の可能性が制限されます。幸いなことに、他にも代替素材があります。
半導体がどのように機能し、どのようなものかを説明しますマイクロエレクトロニクスの作成には、シリコンに代わる有望な代替品があります。ロボットに関するダイジェストの 7 月号「Microelectronics.少ないほど良い」、イノポリス大学が作成。
半導体とは
半導体は、その特定によると、導電率は導体と誘電体の中間です。通常、これは結晶性固体です。特定の条件下で電気を通すため、電流の流れを制御するのに最適です。
正常な状態での半導体の伝導それをブロックする電流はほとんどまたはまったくありません。しかし、温度が上昇したり、光の影響を受けたりすると、電荷をよりよく伝達し始めます。また、不純物が導入されると半導体の導電率が変化します。このプロセスはドーピングと呼ばれます。
半導体と導体の重要な違いそれは、その中の電流が電子だけでなく、電子によって残された空孔、つまり正孔によっても運ばれるという事実にあります。価電子帯に残っている正孔は、より低いエネルギー状態からの電子によって占有され、それによって電流の流れに寄与する可能性があります。
半導体の重要な特性の 1 つは、電荷キャリア (電子と正孔) の移動度です。平均粒子速度と印加外部電場との関係を示す係数です。電子と正孔の移動度は異なる場合があります。たとえば、室温のシリコンでは、負に帯電した粒子は正の粒子よりもほぼ 3 倍速く移動します。
さらに、半導体は幅が異なります。禁止区域。これは、電子を価電子帯から伝導帯に移動させるのに必要な最小エネルギーです。金属やその他の半導体では0に等しく、4 eV以上のレベルに達すると材料は誘電体になります。
半導体のもう1つの重要な特性は、熱伝導率です。デバイスを過熱から保護するために、コンポーネントから熱をいかに迅速かつ簡単に除去できるかを示しています。
ケイ素
シリコンは炭素に次ぐ地球上の化学元素の豊富さ。その主な利点は、採掘が容易であり、シリコン結晶は比較的扱いやすく、全体的に優れた電気的および機械的特性を提供することです。電子と正孔の移動度が比較的低いにもかかわらず、マイクロエレクトロニクス製造に最適な材料であることに変わりはありません。
別の利点は、集積回路で使用されると、さまざまな能動素子間の絶縁層として機能する高品質のシリコン酸化物を形成します。
要素の密度を高め、集積回路の速度、単結晶および多結晶シリコンの要素の組み合わせが使用されます。また、多結晶シリコンの導電率を高めるために、ドープされています。
シリコン半導体が広く使われている集積回路、バイポーラおよび電界効果トランジスタ、電荷結合デバイス、高速フォトダイオード、その他多くのデバイスの作成。また、スーパージャンクション MOSFET や IGBT などのシリコンベースの製品は、幅広い電圧範囲 (数ボルトから数百ボルト) とさまざまな電力クラスで使用できます。
ゲルマニウム
私たちは「シリコン」の時代に生きています。マイクロエレクトロニクスはこの材料から始まったと思われるかもしれませんが、ゲルマニウムが最初でした。レーダー検出ダイオードから最初のトランジスタに至るまで、多くの初期のデバイスで使用されました。 1960 年代の終わりまでは、電子機器に使用される主要な半導体でしたが、70 年代初頭になって初めてシリコンに取って代わられました。
新しい「チャンピオン」ははるかに一般的です。製造コストが安く、バンドギャップが広く、熱伝導率が優れています。しかし、ゲルマニウムには利点もあります。この材料の電荷キャリアはより移動しやすいのです。
たとえば、300 K (約 27 °C) の温度では、「最初の」半導体の電子はシリコンの約 3 倍の速さで移動し、正孔は約 4 倍の速さで移動します。
ゲルマニウムは現代には適していませんがこれらの特性により、一部の無線周波数デバイスでまだ使用されています。たとえば、マイクロ波デバイス、オーディオ機器、低電力および精密機器の作成に使用されます。
ガリウム砒素
ガリウム砒素は2番目に多い現在使用されている一般的な半導体。シリコンやゲルマニウムとは異なり、ヒ化ガリウムは元素ではなく化合物であり、3 価のガリウムと 5 つの価電子を持つヒ素が結合して得られます。
大きなバンドギャップと高い電子移動度により、ガリウムヒ素デバイスは電気信号に迅速に応答するため、この化合物は高周波信号の増幅に適しています。さらに、この材料は、高温での効率と優れた耐放射線性を示しています。
ガリウム砒素は長い間使用されてきましたマイクロエレクトロニクスであるため、それに基づくデバイスの製造がデバッグされています。その特殊な特性により、材料は主にマイクロ波マイクロ電子デバイスの作成に使用されます。デジタルおよびアナログ集積回路、ディスクリート電界効果トランジスタ、ガン ダイオードは、材料自身の資金を犠牲にして pn 接合なしで動作します。さらに、ガリウム砒素ベースの超小型回路は、携帯電話、マイクロ波デバイス、衛星通信デバイス、および一部のレーダー システムの製造に使用されています。
しかし、それは少ない脆性材料ですシリコンよりも正孔の移動度が高く、CMOS トランジスタ、高速で省エネルギーの電子回路などのデバイスを作成することは不可能です。また、製造が比較的難しく、ガリウム砒素デバイスのコストが高くなります。また、熱伝導率がかなり低いため、デバイスが過熱するリスクが高くなります。
未来の素材
—ダイヤモンド
ダイヤモンドは 3 eV を超えるバンドギャップを持っているため、定義上、誘電体です。ただし、不純物が添加されると、宝石は半導体になります。
理論的にはダイヤモンド半導体このデバイスは、高い熱伝導率、絶縁破壊電界強度、キャリア移動度などの優れた物理特性を備えています。これにより、損失が大幅に削減され、熱がすばやく放散され、デバイスの寿命が延びます。さらに、シリコン デバイスの 50,000 倍の出力電力とエネルギー効率、および 1,200 倍の高い周波数で動作できます。
ただし、電子機器の産業用アプリケーションでは半導体デバイスには、高品質で大型のダイヤモンド ウエハーが必要です。ダイヤモンドツールを作成する試みは長年にわたって行われてきましたが.これまでのところ、材料の合金化と処理に関連する問題は解決されていません。
—グラフェン
グラフェンは二次元の同素体修飾です炭素。マッキンゼーは、グラフェンは用途の広い半導体材料としてシリコンを凌駕する可能性を秘めていると予測していますが、広く商業化されるまでには最大 25 年かかる可能性があります。
この素材の最大の特徴は柔軟性であり、したがって、そこからさまざまな複雑なデバイスを作成できます。この材料は、さらなる用途が期待されており、グラフェン分野の研究開発に専念する研究所が世界中にあります。
さまざまな業界で役立ちます。現代のエネルギーネットワークと代替エネルギーから生物医学まで。マイクロエレクトロニクスでは、グラフェンは超高感度マイクロプロセッサ、量子コンピューターの要素、極端なパラメーターを持つセンサーで使用できます。
—ヒ化ホウ素
2022 年 7 月の時点で、研究者たちはMIT は、既知の中で最高の半導体を発見したと述べた。それは立方晶砒素ホウ素であることが判明した。この物質はヒ素とホウ素の化合物です。
熱伝導率は他の熱伝導率の10倍です。シリコンさらに、後者やガリウムヒ素とは異なり、ホウ素ベースの半導体は電子だけでなく正孔に対しても高い移動度を示します。
科学者はこの材料を言うがシリコンに置き換わる可能性がありますが、グラフェンと同様に、これはまだ非常に遠いです。たとえば、まず、この素材を高品質で安価に生産する方法を開発する必要があります。
知名度も効果も高いにもかかわらず、シリコン半導体の類似物が必要です。メーカーは 2 つの要因によってこの目標に向かって突き動かされています。まず、テクノロジーはほぼ限界に達しており、これを超えると、これ以上小型で強力なデバイスを作成することは不可能になります。そして第 2 に、シリコンの需要が絶えず増加しているため、価格が上昇しています。
パンデミック時に発生した生産危機コロナウイルスは、単一のソースに依存することがいかに危険であるかを示しています。そのため、世界中の企業や科学者が代替案の作成に取り組んでいます。それにもかかわらず、シリコンデバイスの安価さ、入手可能性、および十分に確立された生産により、この材料はしばらくの間、マイクロエレクトロニクスの主要な地位を維持すると考えられます.
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