Van ‘eenvoudige’ huishoudelijke apparaten en computers tot zonnecellen, veldeffecttransistors en drones
De duidelijke leider in de sector op dit moment is silicium.Maar het is niet geschikt voor alle apparaten. Bovendien beperken de fysieke eigenschappen van de halfgeleider de mogelijkheden voor verdere miniaturisatie en het vergroten van de kracht van chips en het creëren van flexibele apparaten. Gelukkig zijn er andere alternatieve materialen.
We vertellen je hoe halfgeleiders werken en water zijn veelbelovende alternatieven voor silicium voor de creatie van micro-elektronica. U kunt meer lezen over de markt in het algemeen in het juli-nummer van de samenvatting over robotica “Micro-elektronica. Hoe minder, hoe beter”, opgesteld door Innopolis University.
Wat is een halfgeleider?
Een halfgeleider is een materiaal dat, volgens zijn specifiekegeleidbaarheid neemt een tussenpositie in tussen geleiders en diëlektrica. Meestal is het een kristallijne vaste stof. Het geleidt elektriciteit onder bepaalde omstandigheden, waardoor het ideaal is voor het regelen van de stroomstroom.
Halfgeleiders in hun normale toestand geleidenweinig of geen stroom die het blokkeert. Maar met een stijging van de temperatuur of onder invloed van licht beginnen ze elektrische ladingen beter door te geven. Ook verandert de geleidbaarheid van halfgeleiders wanneer een onzuiverheid wordt geïntroduceerd - dit proces wordt doping genoemd.
Belangrijk verschil tussen een halfgeleider en een geleiderligt in het feit dat de stroom daarin niet alleen wordt gedragen door elektronen, maar ook door de vacatures die ze achterlaten - gaten. Gaten die in de valentieband achterblijven, kunnen worden ingenomen door elektronen uit lagere energietoestanden en daardoor bijdragen aan de stroomstroming.
Een van de belangrijkste kenmerken van een halfgeleider is:is de mobiliteit van ladingsdragers (elektronen en gaten). Dit is een coëfficiënt die het verband aangeeft tussen de gemiddelde deeltjessnelheid en het aangelegde externe elektrische veld. De mobiliteit van elektronen en gaten kan anders zijn, bijvoorbeeld in silicium bij kamertemperatuur bewegen negatief geladen deeltjes bijna drie keer sneller dan positieve.
Bovendien variëren halfgeleiders in breedteverboden gebied. Dit is de minimale energie die nodig is om een elektron van de valentieband naar de geleidingsband te verplaatsen. Voor metalen en andere halfgeleiders is het gelijk aan 0, en wanneer een niveau van 4 eV of meer wordt bereikt, wordt het materiaal een diëlektricum.
Een ander belangrijk kenmerk van halfgeleiders is thermische geleidbaarheid. Het laat zien hoe snel en eenvoudig warmte van de componenten kan worden verwijderd om het apparaat tegen oververhitting te beschermen.
Silicium
Silicium is de tweede alleen voor koolstof in termen vanovervloed van een chemisch element op aarde. Het belangrijkste voordeel is dat het gemakkelijk te ontginnen is, dat siliciumkristallen relatief eenvoudig zijn om mee te werken en goede algemene elektrische en mechanische eigenschappen bieden. Zelfs ondanks de relatief lage mobiliteit van elektronen en gaten, blijft het het optimale materiaal voor micro-elektronische productie.
Een ander voordeel is dat wanneerbij gebruik in geïntegreerde schakelingen vormt het siliciumoxide van hoge kwaliteit, dat fungeert als een isolerende laag tussen verschillende actieve elementen.
Om de dichtheid van elementen te vergroten ensnelheid van geïntegreerde schakelingen, combinaties van elementen van eenkristal en polykristallijn silicium worden gebruikt. En om de geleidbaarheid van polykristallijn silicium te vergroten, is het gedoteerd.
Siliciumhalfgeleiders worden veel gebruikt voor:creatie van geïntegreerde schakelingen, bipolaire en veldeffecttransistoren, ladinggekoppelde apparaten, snelle fotodiodes en vele andere apparaten. En op silicium gebaseerde producten, zoals super-junction MOSFET's of IGBT's, kunnen worden gebruikt in een breed scala aan spanningen (van enkele tot enkele honderden volt) en in verschillende vermogensklassen.
Germanium
We leven in het ‘silicium’-tijdperk, en misschien welHet lijkt misschien dat de micro-elektronica met dit materiaal begon, maar germanium was de eerste. Het werd in veel vroege apparaten gebruikt, van radardetectiediodes tot de eerste transistors. Tot het einde van de jaren zestig was het de belangrijkste halfgeleider die in elektronische apparaten werd gebruikt, en pas begin jaren zeventig werd het vervangen door silicium.
De nieuwe "kampioen" komt veel vaker voorHet is goedkoper te produceren en heeft een grotere bandafstand en een betere thermische geleidbaarheid. Maar germanium heeft ook zijn voordeel: de ladingsdragers in dit materiaal zijn veel mobieler.
Bij een temperatuur van bijvoorbeeld 300 K (ongeveer 27°C) bewegen de elektronen in de "eerste" halfgeleider bijna drie keer sneller dan die van silicium en bewegen de gaten bijna vier keer sneller.
Hoewel germanium niet geschikt is voor modernemicro-elektronica, vanwege deze eigenschappen wordt het nog steeds gebruikt in sommige radiofrequentieapparaten. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt om microgolfapparaten, audioapparatuur en energiezuinige en precisieapparatuur te maken.
galliumarsenide
Galliumarsenide is de tweede meestgemeenschappelijke halfgeleider die tegenwoordig wordt gebruikt. In tegenstelling tot silicium en germanium is galliumarsenide een verbinding, geen element, en wordt het verkregen door driewaardig gallium te combineren met arseen, dat vijf valentie-elektronen heeft.
Grote bandgap en hoogDe elektronenmobiliteit zorgt ervoor dat galliumarsenide-apparaten snel reageren op elektrische signalen, waardoor deze verbinding geschikt is voor het versterken van hoogfrequente signalen. Bovendien heeft dit materiaal zijn efficiëntie bewezen bij hoge temperaturen en een goede weerstand tegen straling.
Galliumarsenide wordt al lang gebruikt inmicro-elektronica, dus de productie van apparaten die erop zijn gebaseerd, wordt gedebugd. Vanwege zijn speciale eigenschappen wordt het materiaal voornamelijk gebruikt om micro-elektronische microgolven te maken: digitale en analoge geïntegreerde schakelingen, discrete veldeffecttransistoren en Gunn-diodes, die werken zonder een pn-overgang ten koste van het eigen vermogen van het materiaal. Bovendien worden op galliumarsenide gebaseerde microschakelingen gebruikt bij de vervaardiging van mobiele telefoons, magnetronapparatuur, satellietcommunicatieapparatuur en sommige radarsystemen.
Het is echter een broos materiaal met mindergatmobiliteit dan silicium, waardoor het onmogelijk is om apparaten te maken zoals bijvoorbeeld CMOS-transistoren, snelle en energiebesparende elektronische schakelingen. Het is ook relatief moeilijk te fabriceren, wat bijdraagt aan de kosten van galliumarsenide-apparaten. En het heeft een vrij lage thermische geleidbaarheid, wat het risico op oververhitting van apparaten vergroot.
Materialen van de toekomst
— Diamanten
Diamant heeft een bandafstand groter dan 3 eV, dus per definitie is het een diëlektricum. Wanneer er echter onzuiverheden worden toegevoegd, wordt de edelsteen een halfgeleider.
Theoretisch diamant halfgeleiderDe apparaten hebben uitstekende fysieke eigenschappen, waaronder een hoge thermische geleidbaarheid, doorslagveldsterkte en mobiliteit van de drager. Dit zal verliezen aanzienlijk verminderen, warmte snel afvoeren en de levensduur van apparaten verlengen. Bovendien kan het werken met een uitgangsvermogen en energie-efficiëntie die 50.000 keer hoger zijn dan die van siliciumapparaten en een 1200 keer hogere frequentie.
Voor industriële toepassingen in elektronischeHalfgeleiderinrichtingen vereisen diamantwafels van hoge kwaliteit en groot formaat. Hoewel er al vele jaren pogingen worden ondernomen om diamantgereedschappen te maken. Tot dusver zijn de problemen die samenhangen met het legeren en verwerken van het materiaal niet opgelost.
— Grafeen
Grafeen is een tweedimensionale allotrope modificatiekoolstof. Grafeen heeft het potentieel om silicium te overtreffen als een veelzijdig halfgeleidermateriaal, voorspelt McKinsey, maar het kan tot 25 jaar duren voordat het op grote schaal wordt gecommercialiseerd.
Het belangrijkste kenmerk van dit materiaal is flexibiliteit,daarom kunnen er verschillende complexe apparaten van worden gemaakt. Dit materiaal wordt als veelbelovend beschouwd voor verder gebruik en er zijn hele instituten over de hele wereld die zich toeleggen op onderzoek en ontwikkeling op het gebied van grafeen.
Het kan nuttig zijn in verschillende industrieën:van moderne energienetwerken en alternatieve energie tot biogeneeskunde. In de micro-elektronica kan grafeen worden gebruikt in ultragevoelige microprocessors, elementen van kwantumcomputers en sensoren met extreme parameters.
— Boriumarsenide
Pas in juli 2022 ontdekten onderzoekersvan MIT zeiden dat ze de beste bekende halfgeleider hadden gevonden. Het bleek kubisch boorarsenide te zijn. Dit materiaal is een verbinding van arseen en boor.
De thermische geleidbaarheid is 10 keer groter dan die vansilicium Bovendien vertoont de op boor gebaseerde halfgeleider, in tegenstelling tot laatstgenoemde en galliumarsenide, een hoge mobiliteit, niet alleen voor elektronen, maar ook voor gaten.
Hoewel wetenschappers zeggen dat dit materiaalpotentieel in staat om silicium te vervangen, maar net als bij grafeen is dit nog erg ver weg. U moet bijvoorbeeld eerst goedkope manieren ontwikkelen om dit materiaal van hoge kwaliteit te produceren.
Ondanks zijn hoge populariteit en effectiviteitsilicium halfgeleiders, analogen zijn nodig. Fabrikanten worden door twee factoren tegelijk daartoe aangezet. Ten eerste heeft de technologie bijna een grens bereikt waarboven het onmogelijk zal zijn om steeds kleinere en krachtigere apparaten te maken. En ten tweede leidt de constante toename van de vraag naar silicium tot een prijsstijging.
De productiecrisis die ontstond tijdens de pandemiecoronavirus heeft aangetoond hoe gevaarlijk het is om op één enkele bron te vertrouwen. Daarom werken bedrijven en wetenschappers over de hele wereld aan een alternatief. Niettemin kan worden aangenomen dat dit materiaal, vanwege de lage prijs, beschikbaarheid en gevestigde productie van siliciumapparaten, nog geruime tijd een leidende positie in de micro-elektronica zal behouden.
Lees verder:
"Dit is science fiction": wetenschappers creëren een fundamenteel nieuw type kwantumcomputers
Wat zijn supergenen en hoe maken ze dieren zo raar
Het ISS "schiet" laserstralen naar de aarde: waarom is het nodig en hoe werkt het?