Nuo „paprastos“ buitinės technikos ir kompiuterių iki saulės elementų, lauko tranzistorių ir dronų
Šiuo metu aiškus pramonės lyderis yra silicis.Bet jis tinka ne visiems įrenginiams, be to, fizinės puslaidininkio savybės riboja galimybes toliau miniatiūrizuoti ir didinti lustų galią bei kurti lanksčius įrenginius. Laimei, yra ir kitų alternatyvių medžiagų.
Mes pasakojame, kaip ir ką veikia puslaidininkiaiyra perspektyvių alternatyvų siliciui kuriant mikroelektroniką. Daugiau apie rinką apskritai galite paskaityti liepos mėnesio robotikos santraukoje „Mikroelektronika. Kuo mažiau, tuo geriau“, parengė Innopolio universitetas.
Kas yra puslaidininkis
Puslaidininkis yra medžiaga, kuri pagal savo specifikąlaidumas užima tarpinę padėtį tarp laidininkų ir dielektrikų. Paprastai tai yra kristalinė kieta medžiaga. Tam tikromis sąlygomis jis praleidžia elektrą, todėl puikiai tinka valdyti srovės srautą.
Puslaidininkiai įprastoje būsenojemažai srovės arba jos visai nėra. Tačiau kylant temperatūrai arba veikiant šviesai, jie pradeda geriau perduoti elektros krūvius. Taip pat puslaidininkių laidumas pakinta, kai įvedama priemaiša – šis procesas vadinamas dopingu.
Svarbus skirtumas tarp puslaidininkio ir laidininkoslypi tame, kad srovę jame neša ne tik elektronai, bet ir jų paliktos laisvos vietos – skylės. Valentinėje juostoje likusias skyles gali užimti elektronai iš mažesnės energijos būsenų ir taip prisidėti prie srovės tekėjimo.
Viena iš pagrindinių puslaidininkių savybių yrayra krūvininkų (elektronų ir skylių) judrumas. Tai koeficientas, parodantis ryšį tarp vidutinio dalelių greičio ir taikomo išorinio elektrinio lauko. Elektronų ir skylių judrumas gali būti skirtingas, pavyzdžiui, silicyje kambario temperatūroje neigiamo krūvio dalelės juda beveik tris kartus greičiau nei teigiamos.
Be to, puslaidininkių plotis skiriasiuždrausta zona. Tai yra mažiausia energija, reikalinga elektronui perkelti iš valentinės juostos į laidumo juostą. Metalams ir kitiems puslaidininkiams jis lygus 0, o pasiekus 4 eV ar didesnį lygį, medžiaga tampa dielektriku.
Kita svarbi puslaidininkių savybė yra šilumos laidumas. Tai parodo, kaip greitai ir lengvai bus galima pašalinti šilumą iš komponentų, kad įrenginys būtų apsaugotas nuo perkaitimo.
Silicis
Silicis yra antras po anglies pagalcheminio elemento gausa Žemėje. Pagrindinis jo privalumas yra tai, kad jį lengva išgauti, su silicio kristalais gana lengva dirbti, jie turi geras bendras elektrines ir mechanines savybes. Net nepaisant santykinai mažo elektronų ir skylių mobilumo, ji išlieka optimalia medžiaga mikroelektronikos gamybai.
Kitas privalumas yra tas, kad kaikai naudojamas integriniuose grandynuose, susidaro aukštos kokybės silicio oksidas, kuris veikia kaip izoliacinis sluoksnis tarp įvairių aktyvių elementų.
Norėdami padidinti elementų tankį irintegrinių grandynų sparta, naudojami vienkristalinio ir polikristalinio silicio elementų deriniai. O norint padidinti polikristalinio silicio laidumą, jis yra legiruotas.
Silicio puslaidininkiai yra plačiai naudojamiintegrinių grandynų, dvipolių ir lauko tranzistorių, su įkrovimu sujungtų įrenginių, greitaeigių fotodiodų ir daugelio kitų įrenginių kūrimas. O silicio pagrindu pagaminti gaminiai, tokie kaip super-sandūriniai MOSFET arba IGBT, gali būti naudojami įvairiausių įtampų diapazone (nuo kelių iki kelių šimtų voltų) ir įvairių galios klasių.
germanis
Mes gyvename "silicio" eroje ir galbūtGali atrodyti, kad mikroelektronika prasidėjo nuo šios medžiagos, tačiau germanis buvo pirmasis. Jis buvo naudojamas daugelyje ankstyvųjų įrenginių, nuo radarų aptikimo diodų iki pirmųjų tranzistorių. Iki septintojo dešimtmečio pabaigos jis buvo pagrindinis puslaidininkis, naudojamas elektroniniuose įrenginiuose, ir tik aštuntojo dešimtmečio pradžioje jį pakeitė silicis.
Naujasis „čempionas“ yra daug dažnesnis, taiJis yra pigesnis gaminti, turi platesnę juostą ir geresnį šilumos laidumą. Tačiau germanis turi ir savo pranašumą: šios medžiagos krūvininkai yra daug mobilesni.
Pavyzdžiui, esant 300 K (apie 27°C) temperatūrai, elektronai „pirmajame“ puslaidininkyje juda beveik tris kartus greičiau nei silicio, o skylės – beveik keturis kartus greičiau.
Nors germanis moderniems netinkamikroelektronika, dėl šių savybių ji vis dar naudojama kai kuriuose radijo dažnio įrenginiuose. Pavyzdžiui, jis naudojamas kuriant mikrobangų įrenginius, garso įrangą, taip pat mažos galios ir tikslią įrangą.
galio arsenidas
Galio arsenidas yra antras pagal dydįŠiandien naudojamas įprastas puslaidininkis. Skirtingai nuo silicio ir germanio, galio arsenidas yra junginys, o ne elementas, ir gaunamas sujungiant trivalentį galą su arsenu, turinčiu penkis valentinius elektronus.
Didelis pralaidumas ir aukštasDėl elektronų mobilumo galio arsenido prietaisai greitai reaguoja į elektrinius signalus, todėl šis junginys yra tinkamas stiprinti aukšto dažnio signalus. Be to, ši medžiaga parodė savo efektyvumą aukštoje temperatūroje ir gerą atsparumą spinduliuotei.
Galio arsenidas jau seniai naudojamasmikroelektronikos, todėl jos pagrindu gaminamų įrenginių derinimas. Dėl savo ypatingų savybių medžiaga daugiausia naudojama mikrobangų mikroelektronikos prietaisams kurti: skaitmeninėms ir analoginėms integrinėms grandinėms, diskretiesiems lauko tranzistoriams ir Gunn diodams, kurie veikia be p-n sandūros nuosavų medžiagos išteklių sąskaita. Be to, galio arsenido pagrindu pagamintos mikroschemos naudojamos gaminant mobiliuosius telefonus, mikrobangų krosneles, palydovinio ryšio įrenginius ir kai kurias radarų sistemas.
Tačiau tai trapi medžiaga, turinti mažiauskylių mobilumas nei silicio, todėl neįmanoma sukurti tokių įrenginių, kaip, pavyzdžiui, CMOS tranzistoriai, didelės spartos ir energiją taupančios elektroninės grandinės. Jį taip pat gana sunku pagaminti, todėl galio arsenido prietaisai brangsta. Ir jis turi gana mažą šilumos laidumą, o tai padidina prietaisų perkaitimo riziką.
Ateities medžiagos
— Deimantai
Deimantų juostos tarpas yra didesnis nei 3 eV, todėl pagal apibrėžimą jis yra dielektrikas. Tačiau pridėjus priemaišų brangakmenis tampa puslaidininkiu.
Teoriškai deimantinis puslaidininkisPrietaisai pasižymi puikiomis fizinėmis savybėmis, įskaitant aukštą šilumos laidumą, gedimo lauko stiprumą ir nešiklio mobilumą. Tai žymiai sumažins nuostolius, greitai išsklaidys šilumą ir padidins prietaisų tarnavimo laiką. Be to, jis gali veikti išėjimo galia ir energijos vartojimo efektyvumu, 50 000 kartų didesniu nei silicio prietaisų ir 1 200 kartų didesniu dažniu.
Tačiau pramoniniam naudojimui elektroninėje srityjePuslaidininkiniams įrenginiams reikalingos aukštos kokybės, didelio dydžio deimantinės plokštelės. Nors bandymai sukurti deimantinius įrankius vyksta jau daug metų. Iki šiol problemos, susijusios su legiravimu ir medžiagos apdirbimu, nebuvo išspręstos.
— Grafenas
Grafenas yra dvimatė alotropinė modifikacijaanglies. „McKinsey“ prognozuoja, kad grafenas gali pranokti silicį kaip universali puslaidininkinė medžiaga, tačiau gali prireikti iki 25 metų, kol jis bus plačiai naudojamas.
Pagrindinė šios medžiagos savybė yra lankstumas,todėl iš jo galima pagaminti įvairius sudėtingus įrenginius. Ši medžiaga laikoma perspektyvia tolesniam jos naudojimui, o visame pasaulyje yra ištisi institutai, skirti grafeno tyrimams ir plėtrai.
Tai gali būti naudinga įvairiose pramonės šakose:nuo modernių energijos tinklų ir alternatyvios energijos iki biomedicinos. Mikroelektronikoje grafenas gali būti naudojamas itin jautriuose mikroprocesoriuose, kvantinių kompiuterių elementuose ir jutikliuose su ekstremaliais parametrais.
— Boro arsenidas
Dar 2022 metų liepos mėnesį mokslininkaiMIT teigė radę geriausią žinomą puslaidininkį. Paaiškėjo, kad tai kubinis boro arsenidas. Ši medžiaga yra arseno ir boro junginys.
Jo šilumos laidumas yra 10 kartų didesnis neisilicio Be to, skirtingai nei pastarasis ir galio arsenidas, boro pagrindu pagamintas puslaidininkis demonstruoja didelį mobilumą ne tik elektronams, bet ir skylėms.
Nors mokslininkai teigia, kad ši medžiagapotencialiai gali pakeisti silicį, tačiau, kaip ir su grafenu, tai dar labai toli. Pavyzdžiui, pirmiausia reikia sukurti pigius būdus, kaip kokybiškai pagaminti šią medžiagą.
Nepaisant didelio populiarumo ir efektyvumosilicio puslaidininkiai, reikalingi analogai. Gamintojus to link stumia iš karto du veiksniai. Pirma, technologijos beveik pasiekė ribą, kurią peržengus bus neįmanoma sukurti vis mažesnių ir galingesnių įrenginių. Antra, nuolat didėjanti silicio paklausa lemia jo brangimą.
Gamybos krizė, kilusi pandemijos metukoronavirusas parodė, kaip pavojinga pasikliauti vienu šaltiniu. Todėl įmonės ir mokslininkai visame pasaulyje stengiasi sukurti alternatyvą. Nepaisant to, galima daryti prielaidą, kad dėl silicio prietaisų pigumo, prieinamumo ir nusistovėjusios gamybos ši medžiaga dar kurį laiką užims lyderio pozicijas mikroelektronikoje.
Skaityti daugiau:
„Tai mokslinė fantastika“: mokslininkai sukuria iš esmės naujo tipo kvantinius kompiuterius
Kas yra supergenai ir kaip jie daro gyvūnus tokius keistus
TKS „šaudo“ lazerio spindulius į Žemę: kam to reikia ir kaip tai veikia