No “vienkāršām” sadzīves ierīcēm un datoriem līdz saules baterijām, lauka efekta tranzistoriem un droniem
Šobrīd nepārprotams līderis nozarē ir silīcijs.Bet tas nav piemērots visām ierīcēm, turklāt pusvadītāja fizikālās īpašības ierobežo iespējas tālākai miniaturizācijai un mikroshēmu jaudas palielināšanai un elastīgu ierīču izveidei. Par laimi, ir arī citi alternatīvi materiāli.
Mēs stāstām, kā darbojas pusvadītāji un kasir daudzsološas alternatīvas silīcijam mikroelektronikas radīšanā. Vairāk par tirgu kopumā varat lasīt jūlija numurā robotikas īssavilkumā “Mikroelektronika. Jo mazāk, jo labāk”, sagatavojusi Innopolisas Universitāte.
Kas ir pusvadītājs
Pusvadītājs ir materiāls, kas atbilstoši tā specifikaivadītspēja ieņem starpstāvokli starp vadītājiem un dielektriķiem. Parasti tā ir kristāliska cieta viela. Noteiktos apstākļos tas vada elektrību, padarot to ideāli piemērotu strāvas plūsmas kontrolei.
Pusvadītāji normālā stāvoklīmaz vai nav strāvas, kas to bloķē. Bet, paaugstinoties temperatūrai vai gaismas ietekmē, tie sāk labāk pārraidīt elektriskos lādiņus. Arī pusvadītāju vadītspēja mainās, ievadot piemaisījumu - šo procesu sauc par dopingu.
Svarīga atšķirība starp pusvadītāju un vadītājuslēpjas faktā, ka strāvu tajā nes ne tikai elektroni, bet arī to atstātās vakances - caurumi. Caurumus, kas paliek valences joslā, var aizņemt elektroni no zemākas enerģijas stāvokļiem, tādējādi veicinot strāvas plūsmu.
Viena no galvenajām pusvadītāju īpašībām irir lādiņnesēju (elektronu un caurumu) kustīgums. Šis ir koeficients, kas parāda saistību starp vidējo daļiņu ātrumu un pielietoto ārējo elektrisko lauku. Elektronu un caurumu kustīgums var būt dažāds, piemēram, silīcijā istabas temperatūrā negatīvi lādētas daļiņas pārvietojas gandrīz trīs reizes ātrāk nekā pozitīvās.
Turklāt pusvadītāju platums ir atšķirīgsaizliegtā zona. Šī ir minimālā enerģija, kas nepieciešama, lai elektronu pārvietotu no valences joslas uz vadīšanas joslu. Metāliem un citiem pusvadītājiem tas ir vienāds ar 0, un, kad tiek sasniegts 4 eV vai vairāk līmenis, materiāls kļūst par dielektriķi.
Vēl viena svarīga pusvadītāju īpašība ir siltumvadītspēja. Tas parāda, cik ātri un viegli būs iespējams noņemt siltumu no komponentiem, lai pasargātu ierīci no pārkaršanas.
Silīcijs
Silīcijs ir otrais pēc oglekļaķīmisko elementu pārpilnība uz Zemes. Tās galvenā priekšrocība ir tā, ka to ir viegli iegūt, ar silīcija kristāliem ir salīdzinoši viegli strādāt, un tie nodrošina labas vispārējās elektriskās un mehāniskās īpašības. Pat neskatoties uz salīdzinoši zemo elektronu un caurumu mobilitāti, tas joprojām ir optimālais materiāls mikroelektronikas ražošanai.
Vēl viena priekšrocība ir tā, kadja to izmanto integrālajās shēmās, tas veido augstas kvalitātes silīcija oksīdu, kas darbojas kā izolācijas slānis starp dažādiem aktīviem elementiem.
Lai palielinātu elementu blīvumu unintegrālo shēmu ātrums, tiek izmantotas vienkristāla un polikristāliskā silīcija elementu kombinācijas. Un, lai palielinātu polikristāliskā silīcija vadītspēju, tas ir leģēts.
Silīcija pusvadītājus plaši izmantointegrālo shēmu, bipolāro un lauka efekta tranzistoru, uzlādes savienojumu, ātrgaitas fotodiožu un daudzu citu ierīču izveide. Un produktus uz silīcija bāzes, piemēram, super-savienojuma MOSFET vai IGBT, var izmantot plašā sprieguma diapazonā (no dažiem līdz vairākiem simtiem voltu) un dažādās jaudas klasēs.
Germānija
Mēs dzīvojam “silīcija” laikmetā un varbūtVar šķist, ka mikroelektronika sākās ar šo materiālu, bet germānija bija pirmais. To izmantoja daudzās agrīnās ierīcēs, sākot no radaru noteikšanas diodēm līdz pirmajiem tranzistoriem. Līdz 60. gadu beigām tas bija galvenais pusvadītājs, ko izmantoja elektroniskajās ierīcēs, un tikai 70. gadu sākumā to aizstāja ar silīciju.
Jaunais "čempions" ir daudz izplatītāks, tasTo ir lētāk ražot, un tam ir plašāka joslas atstarpe un labāka siltumvadītspēja. Bet germānijam ir arī sava priekšrocība: lādiņnesēji šajā materiālā ir daudz mobilāki.
Piemēram, 300 K (apmēram 27°C) temperatūrā elektroni “pirmajā” pusvadītājā pārvietojas gandrīz trīs reizes ātrāk nekā silīcijā, un caurumi kustas gandrīz četras reizes ātrāk.
Lai gan germānija nav piemērota mūsdienumikroelektronika, šo īpašību dēļ to joprojām izmanto dažās radiofrekvenču ierīcēs. Piemēram, to izmanto, lai izveidotu mikroviļņu ierīces, audio iekārtas, kā arī mazjaudas un precizitātes iekārtas.
gallija arsenīds
Gallija arsenīds ir otrais visvairākmūsdienās izmantotais parastais pusvadītājs. Atšķirībā no silīcija un germānija, gallija arsenīds ir savienojums, nevis elements, un to iegūst, apvienojot trīsvērtīgo galliju ar arsēnu, kuram ir pieci valences elektroni.
Liela joslas atstarpe un augstaElektronu mobilitāte liek gallija arsenīda ierīcēm ātri reaģēt uz elektriskiem signāliem, padarot šo savienojumu piemērotu augstfrekvences signālu pastiprināšanai. Turklāt šis materiāls ir pierādījis savu efektivitāti augstā temperatūrā un labu izturību pret radiāciju.
Gallija arsenīds jau sen ir izmantotsmikroelektronika, tāpēc uz tās balstīto ierīču ražošana tiek atkļūdota. Materiāls, pateicoties tā īpašajām īpašībām, galvenokārt tiek izmantots mikroviļņu mikroelektronikas ierīču izveidošanai: digitālās un analogās integrālās shēmas, diskrētos lauka efekta tranzistori un Gunn diodes, kas darbojas bez p-n pārejas uz materiāla pašu resursu rēķina. Turklāt uz gallija arsenīda bāzes izgatavotas mikroshēmas tiek izmantotas mobilo tālruņu, mikroviļņu ierīču, satelītsakaru ierīču un dažu radaru sistēmu ražošanā.
Tomēr tas ir trausls materiāls ar mazākcaurumu mobilitāte nekā silīcijs, kas neļauj izveidot tādas ierīces kā, piemēram, CMOS tranzistori, ātrgaitas un enerģiju taupošas elektroniskās shēmas. To ir arī salīdzinoši grūti izgatavot, palielinot gallija arsenīda ierīču izmaksas. Un tam ir diezgan zema siltumvadītspēja, kas palielina ierīču pārkaršanas risku.
Nākotnes materiāli
— Dimanti
Dimanta joslas sprauga ir lielāka par 3 eV, tāpēc pēc definīcijas tas ir dielektrisks. Tomēr, pievienojot piemaisījumus, dārgakmens kļūst par pusvadītāju.
Teorētiski dimanta pusvadītājsIerīcēm ir lieliskas fizikālās īpašības, tostarp augsta siltumvadītspēja, sabrukšanas lauka stiprums un nesēja mobilitāte. Tas ievērojami samazinās zudumus, ātri izkliedēs siltumu un palielinās ierīču kalpošanas laiku. Turklāt tas var darboties ar izejas jaudu un energoefektivitāti, kas ir 50 000 reižu augstāka nekā silīcija ierīces un 1200 reizes augstāka frekvence.
Tomēr rūpnieciskiem lietojumiem elektroniskajāPusvadītāju ierīcēm ir nepieciešamas augstas kvalitātes liela izmēra dimanta plāksnes. Lai gan mēģinājumi radīt dimanta instrumentus ir notikuši jau daudzus gadus. Līdz šim problēmas, kas saistītas ar materiāla sakausēšanu un apstrādi, nav atrisinātas.
— Grafēns
Grafēns ir divdimensiju alotropiska modifikācijaogleklis. McKinsey prognozē, ka grafēnam ir potenciāls pārspēt silīciju kā daudzpusīgu pusvadītāju materiālu, taču var paiet līdz 25 gadiem, līdz tas tiks plaši izplatīts.
Šī materiāla galvenā iezīme ir elastība,tāpēc no tā var ražot dažādas sarežģītas ierīces. Šis materiāls tiek uzskatīts par daudzsološu tā turpmākai izmantošanai, un visā pasaulē ir veseli institūti, kas nodarbojas ar pētniecību un attīstību grafēna jomā.
Tas var būt noderīgs dažādās nozarēs:no moderniem enerģijas tīkliem un alternatīvās enerģijas uz biomedicīnu. Mikroelektronikā grafēnu var izmantot ultrajutīgos mikroprocesoros, kvantu datoru elementos un sensoros ar ārkārtējiem parametriem.
— Bora arsenīds
Vēl 2022. gada jūlijā pētniekino MIT teica, ka viņi ir atraduši labāko zināmo pusvadītāju. Izrādījās, ka tas ir kubiskais bora arsenīds. Šis materiāls ir arsēna un bora savienojums.
Tā siltumvadītspēja ir 10 reizes lielāka par siltumvadītspējusilīcijs Turklāt atšķirībā no pēdējā un gallija arsenīda uz bora bāzes izgatavotais pusvadītājs demonstrē augstu mobilitāti ne tikai elektroniem, bet arī caurumiem.
Lai gan zinātnieki saka, ka šis materiālspotenciāli var aizstāt silīciju, taču, tāpat kā ar grafēnu, tas joprojām ir ļoti tālu. Piemēram, vispirms ir jāizstrādā lēti veidi, kā kvalitatīvi ražot šo materiālu.
Neskatoties uz augsto popularitāti un efektivitātisilīcija pusvadītāji, ir nepieciešami analogi. Uz to ražotājus spiež uzreiz divi faktori. Pirmkārt, tehnoloģija ir gandrīz sasniegusi robežu, pēc kuras vairs nebūs iespējams izveidot arvien mazākas un jaudīgākas ierīces. Un, otrkārt, pastāvīgais silīcija pieprasījuma pieaugums izraisa tā cenas pieaugumu.
Ražošanas krīze, kas radās pandēmijas laikākoronavīruss ir parādījis, cik bīstami ir paļauties uz vienu avotu. Tāpēc uzņēmumi un zinātnieki visā pasaulē strādā, lai radītu alternatīvu. Neskatoties uz to, var pieņemt, ka silīcija ierīču lētuma, pieejamības un vispāratzītās ražošanas dēļ šis materiāls vēl kādu laiku ieņems vadošo pozīciju mikroelektronikā.
Lasīt vairāk:
“Šī ir zinātniskā fantastika”: zinātnieki izveido principiāli jauna veida kvantu datorus
Kas ir supergēni un kā tie padara dzīvniekus tik dīvainus
SKS “šauj” lāzera starus uz Zemi: kāpēc tas ir vajadzīgs un kā tas darbojas