'간단한' 가전제품과 컴퓨터부터 태양전지, 전계효과 트랜지스터, 드론까지
현재 업계의 확실한 리더는 실리콘입니다.그러나 모든 장치에 적합한 것은 아니며, 또한 반도체의 물리적 특성으로 인해 칩의 소형화, 성능 향상 및 유연한 장치 생성 가능성이 제한됩니다. 다행히도 다른 대체 자료가 있습니다.
우리는 반도체가 어떻게 작동하고 무엇을마이크로일렉트로닉스를 만들기 위한 실리콘에 대한 유망한 대안이 있습니다. 시장 전반에 대한 자세한 내용은 로봇 공학에 대한 다이제스트 "Microelectronics. 이노폴리스 대학에서 준비한, 더 적을수록 좋습니다.
반도체 란 무엇입니까?
반도체는 그 특성에 따라전도도는 도체와 유전체의 중간입니다. 일반적으로 결정질 고체입니다. 특정 조건에서 전기를 전도하므로 전류의 흐름을 제어하는 데 이상적입니다.
정상 상태의 반도체전류가 거의 또는 전혀 차단되지 않습니다. 그러나 온도가 상승하거나 빛의 영향을 받으면 전하를 더 잘 전달하기 시작합니다. 또한 불순물이 유입되면 반도체의 전도도가 변하는데 이 과정을 도핑이라고 합니다.
반도체와 도체의 중요한 차이점그 안에있는 전류는 전자뿐만 아니라 전자가 남긴 공석, 즉 구멍에 의해서도 전달된다는 사실에 있습니다. 가전자대에 남아 있는 정공은 더 낮은 에너지 상태의 전자에 의해 점유되어 전류 흐름에 기여할 수 있습니다.
반도체의 주요 특성 중 하나는전하 캐리어(전자와 정공)의 이동도입니다. 평균 입자 속도와 인가된 외부 전기장의 관계를 나타내는 계수입니다. 전자와 정공의 이동성은 다를 수 있습니다. 예를 들어 실온의 실리콘에서는 음전하를 띤 입자가 양전하보다 거의 3배 빠르게 움직입니다.
또한 반도체는 폭이 다양합니다.금지 구역. 이것은 가전자대에서 전도대로 전자를 이동시키는 데 필요한 최소 에너지입니다. 금속 및 기타 반도체의 경우 0과 같으며 4eV 이상의 레벨에 도달하면 물질이 유전체가 됩니다.
반도체의 또 다른 중요한 특성은 열전도율입니다. 장치가 과열되지 않도록 보호하기 위해 구성 요소에서 열을 얼마나 빠르고 쉽게 제거할 수 있는지 보여줍니다.
규소
규소는 탄소에 이어 두 번째로지구에 풍부한 화학 원소. 주요 장점은 채굴하기 쉽고 실리콘 결정은 상대적으로 작업하기 쉽고 전반적으로 우수한 전기적 및 기계적 특성을 제공한다는 것입니다. 전자와 정공의 이동도가 상대적으로 낮음에도 불구하고 마이크로 전자 제품 생산을 위한 최적의 재료로 남아 있습니다.
또 다른 장점은집적 회로에 사용하면 다양한 활성 소자 사이에서 절연층 역할을 하는 고품질 실리콘 산화물을 형성합니다.
요소의 밀도를 높이고집적 회로의 속도, 단결정 및 다결정 실리콘 요소의 조합이 사용됩니다. 그리고 다결정 실리콘의 전도도를 높이기 위해 도핑합니다.
실리콘 반도체는 다음과 같은 용도로 널리 사용됩니다.집적 회로, 바이폴라 및 전계 효과 트랜지스터, 전하 결합 장치, 고속 광다이오드 및 기타 여러 장치의 생성. 그리고 초접합 MOSFET 또는 IGBT와 같은 실리콘 기반 제품은 다양한 전압(수~수백 볼트)과 다양한 전력 등급에서 사용할 수 있습니다.
게르마늄
우리는 '실리콘' 시대에 살고 있다.마이크로 전자공학은 이 물질에서 시작된 것처럼 보이지만 게르마늄이 최초의 물질이었습니다. 이는 레이더 감지 다이오드부터 최초의 트랜지스터에 이르기까지 많은 초기 장치에 사용되었습니다. 1960년대 말까지 전자 기기에 사용되는 주요 반도체였으며, 70년대 초반이 되어서야 실리콘으로 대체되었습니다.
새로운 "챔피언"은 훨씬 더 일반적입니다.생산 비용이 저렴하고 밴드갭이 더 넓으며 열 전도성이 더 좋습니다. 그러나 게르마늄에는 장점도 있습니다. 즉, 이 물질의 전하 운반체가 훨씬 더 이동성이 있다는 것입니다.
예를 들어, 300K(약 27°C)의 온도에서 "첫 번째" 반도체의 전자는 실리콘보다 거의 3배 더 빠르게 움직이고 정공은 거의 4배 더 빠르게 움직입니다.
게르마늄은 현대에 적합하지 않지만마이크로일렉트로닉스는 이러한 특성으로 인해 일부 무선 주파수 장치에서 여전히 사용됩니다. 예를 들어, 마이크로파 장치, 오디오 장비는 물론 저전력 및 정밀 장비를 만드는 데 사용됩니다.
갈륨 비소
갈륨 비소는 두 번째로 많은오늘날 사용되는 일반적인 반도체. 갈륨비소는 실리콘, 게르마늄과 달리 원소가 아닌 화합물로 3가의 갈륨과 5개의 원자가전자를 가진 비소를 결합하여 얻는다.
큰 밴드갭과 높은전자 이동성은 갈륨 비소 장치가 전기 신호에 빠르게 반응하도록 하여 이 화합물을 고주파 신호 증폭에 적합하게 만듭니다. 또한이 재료는 고온에서 효율성과 방사선에 대한 우수한 내성을 보여주었습니다.
갈륨 비소는 오랫동안 사용되어 왔습니다.마이크로 전자 공학, 그래서 그것을 기반으로 한 장치의 생산이 디버깅됩니다. 특수한 특성으로 인해 이 재료는 주로 마이크로파 마이크로 전자 장치를 만드는 데 사용됩니다. 디지털 및 아날로그 집적 회로, 개별 전계 효과 트랜지스터 및 건 다이오드는 재료 자체 자금을 희생하여 pn 접합 없이 작동합니다. 또한 갈륨 비소 기반 미세 회로는 휴대 전화, 마이크로파 장치, 위성 통신 장치 및 일부 레이더 시스템의 제조에 사용됩니다.
그러나 덜 부서지기 쉬운 재료입니다.예를 들어 CMOS 트랜지스터, 고속 및 에너지 절약 전자 회로와 같은 장치를 만드는 것을 불가능하게 만드는 실리콘보다 정공 이동도. 또한 제조하기가 상대적으로 어려우며 갈륨 비소 장치의 비용이 추가됩니다. 그리고 열전도율이 상당히 낮아 장치가 과열될 위험이 있습니다.
미래의 재료
— 다이아 패 한 벌
다이아몬드는 밴드 갭이 3eV보다 크므로 정의상 유전체입니다. 그러나 불순물이 첨가되면 보석은 반도체가 됩니다.
이론적으로 다이아몬드 반도체이 장치는 높은 열전도율, 항복 전계 강도 및 캐리어 이동성을 비롯한 우수한 물리적 특성을 가지고 있습니다. 이는 손실을 크게 줄이고 열을 빠르게 발산하며 장치의 서비스 수명을 연장합니다. 또한 실리콘 소자보다 50,000배 더 높은 출력 및 에너지 효율과 1,200배 더 높은 주파수에서 작동할 수 있습니다.
그러나 전자 산업 응용 분야의 경우반도체 장치에는 고품질의 대형 다이아몬드 웨이퍼가 필요합니다. 다이아몬드 도구를 만들려는 시도가 수년 동안 계속되었지만. 지금까지 재료의 합금화 및 가공과 관련된 문제는 해결되지 않았습니다.
— 그래핀
그래핀은 2차원 동소체 변형입니다.탄소. McKinsey는 그래핀이 다용도 반도체 재료로서 실리콘을 능가할 잠재력이 있지만 광범위한 상용화까지는 최대 25년이 걸릴 수 있다고 예측합니다.
이 소재의 주요 특징은 유연성,따라서 다양한 복잡한 장치를 생산할 수 있습니다. 이 재료는 향후 사용이 유망한 것으로 간주되며, 그래핀 분야의 연구 개발에 전념하는 전 세계 연구소가 있습니다.
다양한 산업 분야에서 유용할 수 있습니다.현대 에너지 네트워크와 대체 에너지에서 생물 의학에 이르기까지. 마이크로 전자공학에서 그래핀은 극도로 민감한 마이크로프로세서, 양자 컴퓨터의 요소 및 극한 매개변수를 가진 센서에 사용될 수 있습니다.
— 붕소 비화물
연구자들은 최근 2022년 7월에MIT의 연구진은 알려진 최고의 반도체를 발견했다고 말했습니다. 그것은 입방정 붕소 비소로 밝혀졌습니다. 이 물질은 비소와 붕소의 화합물입니다.
열전도율이 10배 이상 높습니다.규소 더욱이 후자나 갈륨비소와 달리 붕소 기반 반도체는 전자뿐 아니라 정공에 대해서도 높은 이동도를 보인다.
과학자들은 이 물질이잠재적으로 실리콘을 대체할 수 있지만 그래핀과 마찬가지로 아직 멀었습니다. 예를 들어, 먼저 이 재료를 고품질로 생산하는 저렴한 방법을 개발해야 합니다.
높은 인기와 효율성에도 불구하고실리콘 반도체, 유사품이 필요합니다. 제조업체는 동시에 두 가지 요인에 의해 이를 추진하고 있습니다. 첫째, 기술은 더 작고 더 강력한 장치를 만드는 것이 불가능할 정도로 한계에 거의 도달했습니다. 둘째, 실리콘에 대한 수요가 지속적으로 증가하면 가격이 상승합니다.
팬데믹 동안 발생한 생산 위기코로나바이러스는 단일 출처에 의존하는 것이 얼마나 위험한지 보여주었습니다. 이에 전 세계 기업과 과학자들이 대안을 만들기 위해 노력하고 있다. 그럼에도 불구하고 실리콘 장치의 저렴함, 가용성 및 잘 정립된 생산으로 인해 이 재료는 앞으로 한동안 마이크로일렉트로닉스에서 선도적인 위치를 유지할 것이라고 가정할 수 있습니다.
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