Fra «enkle» husholdningsapparater og datamaskiner til solceller, felteffekttransistorer og droner
Den klare lederen i bransjen akkurat nå er silisium.Men det er ikke egnet for alle enheter; i tillegg begrenser de fysiske egenskapene til halvlederen mulighetene for ytterligere miniatyrisering og øke kraften til brikker og opprettelsen av fleksible enheter. Heldigvis finnes det andre alternative materialer.
Vi forteller deg hvordan halvledere fungerer og hvadet er lovende alternativer til silisium for å lage mikroelektronikk. Du kan lese mer om markedet generelt i juli-utgaven av sammendraget om robotikk «Microelectronics. Jo mindre, jo bedre», utarbeidet av Innopolis University.
Hva er en halvleder
En halvleder er et materiale som i henhold til sin spesifikkeledningsevne er mellomliggende mellom ledere og dielektrikum. Vanligvis er det et krystallinsk fast stoff. Den leder elektrisitet under visse forhold, noe som gjør den ideell for å kontrollere strømmen.
Halvledere i normal tilstandliten eller ingen strøm blokkerer den. Men med en økning i temperatur eller under påvirkning av lys, begynner de å overføre elektriske ladninger bedre. Dessuten endres ledningsevnen til halvledere når en urenhet introduseres - denne prosessen kalles doping.
Viktig forskjell mellom en halvleder og en lederligger i det faktum at strømmen i den ikke bare bæres av elektroner, men også av ledige plasser igjen av dem - hull. Hull som er igjen i valensbåndet kan okkuperes av elektroner fra lavere energitilstander og dermed bidra til flyten av strøm.
En av de viktigste egenskapene til en halvleder erer mobiliteten til ladningsbærere (elektroner og hull). Dette er en koeffisient som viser forholdet mellom gjennomsnittlig partikkelhastighet og det påførte eksterne elektriske feltet. Mobiliteten til elektroner og hull kan være forskjellig, for eksempel i silisium ved romtemperatur beveger negativt ladede partikler seg nesten tre ganger raskere enn positive.
I tillegg varierer halvledere i breddeforbudt sone. Dette er minimumsenergien som kreves for å flytte et elektron fra valensbåndet til ledningsbåndet. For metaller og andre halvledere er det lik 0, og når et nivå på 4 eV eller mer nås, blir materialet et dielektrikum.
En annen viktig egenskap ved halvledere er termisk ledningsevne. Den viser hvor raskt og enkelt det vil være mulig å fjerne varme fra komponentene for å beskytte enheten mot overoppheting.
Silisium
Silisium er nest etter karbon når det gjelderoverflod av et kjemisk grunnstoff på jorden. Dens største fordel er at den er lett å utvinne, silisiumkrystaller er relativt enkle å jobbe med, og gir gode generelle elektriske og mekaniske egenskaper. Selv til tross for den relativt lave mobiliteten til elektroner og hull, er det fortsatt det optimale materialet for mikroelektronisk produksjon.
En annen fordel er at nårnår den brukes i integrerte kretser, danner den høykvalitets silisiumoksid, som fungerer som et isolerende lag mellom ulike aktive elementer.
For å øke tettheten av elementer oghastighet på integrerte kretser, kombinasjoner av elementer av enkeltkrystall og polykrystallinsk silisium brukes. Og for å øke ledningsevnen til polykrystallinsk silisium er det dopet.
Silisium halvledere er mye brukt tilopprettelse av integrerte kretser, bipolare og felteffekttransistorer, ladningskoblede enheter, høyhastighets fotodioder og mange andre enheter. Og silisiumbaserte produkter, som superjunction MOSFETs eller IGBTs, kan brukes i et bredt spekter av spenninger (fra noen få til flere hundre volt) og i ulike effektklasser.
Germanium
Vi lever i "silisium"-tiden, og kanskjeDet kan virke som om mikroelektronikk begynte med dette materialet, men germanium var det første. Den ble brukt i mange tidlige enheter, fra radardeteksjonsdioder til de første transistorene. Fram til slutten av 1960-tallet var det den viktigste halvlederen som ble brukt i elektroniske enheter, og først på begynnelsen av 70-tallet ble den erstattet av silisium.
Den nye "mesteren" er mye mer vanlig, denDet er billigere å produsere og har et bredere båndgap og bedre varmeledningsevne. Men germanium har også sin fordel: Ladningsbærerne i dette materialet er mye mer mobile.
For eksempel, ved en temperatur på 300 K (omtrent 27 °C), beveger elektronene i den "første" halvlederen seg nesten tre ganger raskere enn silisium, og hullene beveger seg nesten fire ganger raskere.
Selv om germanium ikke er egnet for modernemikroelektronikk, på grunn av disse egenskapene brukes den fortsatt i enkelte radiofrekvensenheter. For eksempel brukes den til å lage mikrobølgeenheter, lydutstyr, samt laveffekts- og presisjonsutstyr.
galliumarsenid
Galliumarsenid er nest mestvanlig halvleder i bruk i dag. I motsetning til silisium og germanium er galliumarsenid en forbindelse, ikke et grunnstoff, og oppnås ved å kombinere trivalent gallium med arsen, som har fem valenselektroner.
Stort båndgap og høytElektronmobiliteten får galliumarsenid-enheter til å reagere raskt på elektriske signaler, noe som gjør denne forbindelsen egnet for å forsterke høyfrekvente signaler. I tillegg har dette materialet vist sin effektivitet ved høye temperaturer og god motstand mot stråling.
Galliumarsenid har lenge vært brukt imikroelektronikk, slik at produksjonen av enheter basert på den feilsøkes. På grunn av dets spesielle egenskaper brukes materialet hovedsakelig til å lage mikrobølgemikroelektroniske enheter: digitale og analoge integrerte kretser, diskrete felteffekttransistorer og Gunn-dioder, som opererer uten et p-n-kryss på bekostning av materialets egne midler. I tillegg brukes galliumarsenid-baserte mikrokretser i produksjon av mobiltelefoner, mikrobølgeenheter, satellittkommunikasjonsenheter og noen radarsystemer.
Imidlertid er det et sprøtt materiale med mindrehullmobilitet enn silisium, noe som gjør det umulig å lage enheter som for eksempel CMOS-transistorer, høyhastighets og energisparende elektroniske kretser. Det er også relativt vanskelig å fremstille, noe som øker kostnadene for galliumarsenidenheter. Og den har en ganske lav varmeledningsevne, noe som øker risikoen for overoppheting av enheter.
Fremtidens materialer
— Diamanter
Diamant har et båndgap større enn 3 eV, så per definisjon er det et dielektrikum. Men når urenheter tilsettes, blir edelstenen en halvleder.
Teoretisk diamanthalvlederEnhetene har utmerkede fysiske egenskaper, inkludert høy varmeledningsevne, nedbrytningsfeltstyrke og bærermobilitet. Dette vil redusere tapene betydelig, raskt spre varme og øke levetiden til enhetene. I tillegg kan den operere med en utgangseffekt og energieffektivitet som er 50 000 ganger høyere enn silisiumenheter og 1200 ganger høyere frekvens.
Men for industrielle applikasjoner i elektroniskHalvlederenheter krever diamantskiver i stor størrelse av høy kvalitet. Selv om forsøk på å lage diamantverktøy har pågått i mange år. Så langt er problemene knyttet til legering og bearbeiding av materialet ikke løst.
— Grafen
Grafen er en todimensjonal allotrop modifikasjonkarbon. Grafen har potensialet til å overgå silisium som et allsidig halvledermateriale, spår McKinsey, men det kan ta opptil 25 år før utbredt kommersialisering.
Nøkkelfunksjonen til dette materialet er fleksibilitet,derfor kan forskjellige komplekse enheter produseres fra den. Dette materialet anses som lovende for videre bruk, og det er hele institutter rundt om i verden dedikert til forskning og utvikling innen grafen.
Det kan være nyttig i en rekke bransjer:fra moderne energinettverk og alternativ energi til biomedisin. I mikroelektronikk kan grafen brukes i ultrasensitive mikroprosessorer, elementer av kvantedatamaskiner og sensorer med ekstreme parametere.
— Borarsenid
Så sent som i juli 2022, forskerefra MIT sa at de hadde funnet den beste halvlederen kjent. Det viste seg å være kubisk borarsenid. Dette materialet er en forbindelse av arsen og bor.
Dens varmeledningsevne er 10 ganger større enn denssilisium Dessuten, i motsetning til sistnevnte og galliumarsenid, viser den borbaserte halvlederen høy mobilitet ikke bare for elektroner, men også for hull.
Selv om forskere sier at dette materialetpotensielt i stand til å erstatte silisium, men, som med grafen, er dette fortsatt veldig langt unna. For eksempel, først må du utvikle billige måter å produsere dette materialet med høy kvalitet.
Til tross for den høye populariteten og effektivitetensilisium halvledere, analoger er nødvendig. Produsenter blir presset mot dette av to faktorer samtidig. For det første har teknologien nesten nådd en grense som det vil være umulig å lage stadig mindre og kraftigere enheter over. Og for det andre, den konstante økningen i etterspørselen etter silisium fører til at prisen stiger.
Produksjonskrisen som oppsto under pandemienkoronaviruset har vist hvor farlig det er å stole på en enkelt kilde. Derfor jobber bedrifter og forskere over hele verden med å skape et alternativ. Likevel kan det antas at på grunn av billigheten, tilgjengeligheten og den veletablerte produksjonen av silisiumenheter, vil dette materialet ha en ledende posisjon innen mikroelektronikk i noen tid fremover.
Les mer:
"Dette er science fiction": forskere lager en fundamentalt ny type kvantedatamaskiner
Hva er supergener og hvordan gjør de dyr så rare
ISS "skyter" laserstråler mot jorden: hvorfor er det nødvendig og hvordan fungerer det