Od „prostych” urządzeń gospodarstwa domowego i komputerów po ogniwa słoneczne, tranzystory polowe i drony
Zdecydowanym liderem w branży jest obecnie krzem.Ale nie nadaje się do wszystkich urządzeń; ponadto właściwości fizyczne półprzewodnika ograniczają możliwości dalszej miniaturyzacji i zwiększania mocy chipów oraz tworzenia elastycznych urządzeń. Na szczęście istnieją inne alternatywne materiały.
Opowiemy Ci, jak działają półprzewodniki i coistnieją obiecujące alternatywy dla krzemu w tworzeniu mikroelektroniki. Więcej o rynku jako całości można przeczytać w lipcowym numerze podsumowania robotyki „Mikroelektronika. Im mniej, tym lepiej”, przygotowanej przez Uniwersytet Innopolis.
Co to jest półprzewodnik
Półprzewodnik to materiał, który zgodnie ze swoją specyfikąprzewodnictwo zajmuje pozycję pośrednią między przewodnikami a dielektrykami. Zazwyczaj jest to krystaliczne ciało stałe. Przewodzi prąd w określonych warunkach, dzięki czemu idealnie nadaje się do kontrolowania przepływu prądu.
Półprzewodniki w ich normalnym stanie przewodzeniamały lub żaden prąd blokujący go. Ale wraz ze wzrostem temperatury lub pod wpływem światła zaczynają lepiej przenosić ładunki elektryczne. Również przewodnictwo półprzewodników zmienia się, gdy wprowadzane jest zanieczyszczenie - proces ten nazywa się dopingiem.
Ważna różnica między półprzewodnikiem a przewodnikiempolega na tym, że prąd w nim przenoszony jest nie tylko przez elektrony, ale także przez pozostawione przez nie wakaty - dziury. Dziury pozostałe w paśmie walencyjnym mogą zostać zajęte przez elektrony z niższych stanów energetycznych i w ten sposób przyczynić się do przepływu prądu.
Jedną z kluczowych cech półprzewodnika jestto mobilność nośników ładunku (elektronów i dziur). Jest to współczynnik, który pokazuje zależność między średnią prędkością cząstki a przyłożonym zewnętrznym polem elektrycznym. Ruchliwość elektronów i dziur może być różna, na przykład w krzemie w temperaturze pokojowej ujemnie naładowane cząstki poruszają się prawie trzy razy szybciej niż dodatnie.
Ponadto półprzewodniki różnią się szerokościąstrefa zakazana. Jest to minimalna energia wymagana do przeniesienia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. W przypadku metali i innych półprzewodników jest równy 0, a po osiągnięciu poziomu 4 eV lub więcej materiał staje się dielektrykiem.
Inną ważną cechą półprzewodników jest przewodność cieplna. Pokazuje, jak szybko i łatwo będzie można odprowadzić ciepło z podzespołów w celu ochrony urządzenia przed przegrzaniem.
Krzem
Krzem jest drugim po węglu pod względemobfitość pierwiastka chemicznego na Ziemi. Jego główną zaletą jest łatwość wydobycia, kryształy krzemu są stosunkowo łatwe w obróbce i zapewniają dobre ogólne właściwości elektryczne i mechaniczne. Nawet pomimo stosunkowo małej ruchliwości elektronów i dziur pozostaje optymalnym materiałem do produkcji mikroelektroniki.
Kolejną zaletą jest to, że kiedyw układach scalonych tworzy wysokiej jakości tlenek krzemu, który pełni rolę warstwy izolacyjnej pomiędzy różnymi elementami aktywnymi.
Aby zwiększyć gęstość pierwiastków iszybkość układów scalonych, stosowane są kombinacje elementów krzemu monokrystalicznego i polikrystalicznego. Aby zwiększyć przewodność krzemu polikrystalicznego, jest on domieszkowany.
Półprzewodniki krzemowe są szeroko stosowane dotworzenie układów scalonych, tranzystorów bipolarnych i polowych, urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym, szybkich fotodiod i wielu innych urządzeń. Produkty na bazie krzemu, takie jak superzłącza MOSFET lub IGBT, mogą być stosowane w szerokim zakresie napięć (od jednostek do kilkuset woltów) i w różnych klasach mocy.
German
Żyjemy w erze „krzemu” i być możeMoże się wydawać, że mikroelektronika zaczęła się od tego materiału, ale german był pierwszy. Był stosowany w wielu wczesnych urządzeniach, od diod wykrywających radary po pierwsze tranzystory. Do końca lat 60. był to główny półprzewodnik stosowany w urządzeniach elektronicznych, dopiero na początku lat 70. został zastąpiony krzemem.
Nowy „mistrz” jest znacznie bardziej powszechnyJest tańszy w produkcji, ma szersze pasmo wzbronione i lepszą przewodność cieplną. Ale german ma również swoją zaletę: nośniki ładunku w tym materiale są znacznie bardziej mobilne.
Na przykład w temperaturze 300 K (około 27°C) elektrony w „pierwszym” półprzewodniku poruszają się prawie trzy razy szybciej niż w krzemie, a dziury poruszają się prawie cztery razy szybciej.
Chociaż german nie nadaje się do nowoczesnychmikroelektronika, ze względu na te właściwości jest nadal stosowana w niektórych urządzeniach o częstotliwości radiowej. Na przykład służy do tworzenia urządzeń mikrofalowych, sprzętu audio, a także sprzętu o małej mocy i precyzji.
arsenku galu
Arsenek galu jest drugi co do wielkościpowszechnie używany półprzewodnik. W przeciwieństwie do krzemu i germanu arsenek galu jest związkiem, a nie pierwiastkiem i jest otrzymywany przez połączenie trójwartościowego galu z arsenem, który ma pięć elektronów walencyjnych.
Duże pasmo zabronione i wysokieRuchliwość elektronów powoduje, że urządzenia z arsenku galu szybko reagują na sygnały elektryczne, dzięki czemu związek ten nadaje się do wzmacniania sygnałów o wysokiej częstotliwości. Ponadto materiał ten wykazał swoją skuteczność w wysokich temperaturach i dobrą odporność na promieniowanie.
Arsenek galu był od dawna używany wmikroelektronika, a więc produkcja urządzeń na jej podstawie jest debugowana. Ze względu na swoje szczególne właściwości materiał wykorzystywany jest głównie do tworzenia mikrofalowych urządzeń mikroelektronicznych: cyfrowych i analogowych układów scalonych, dyskretnych tranzystorów polowych oraz diod Gunna, które działają bez złącza p-n kosztem własnych zasobów materiału. Ponadto mikroukłady oparte na arsenku galu są wykorzystywane do produkcji telefonów komórkowych, urządzeń mikrofalowych, urządzeń komunikacji satelitarnej i niektórych systemów radarowych.
Jest to jednak materiał kruchy z mniejszą ilościąmobilność dziur niż krzem, co uniemożliwia tworzenie urządzeń takich jak np. tranzystory CMOS, szybkie i energooszczędne układy elektroniczne. Jest również stosunkowo trudny do wytworzenia, co zwiększa koszt urządzeń z arsenku galu. I ma dość niską przewodność cieplną, co zwiększa ryzyko przegrzania urządzeń.
Materiały przyszłości
— Diamenty
Diament ma pasmo wzbronione większe niż 3 eV, więc z definicji jest dielektrykiem. Jednak po dodaniu zanieczyszczeń kamień staje się półprzewodnikiem.
Teoretycznie półprzewodnik diamentowyUrządzenia mają doskonałe właściwości fizyczne, w tym wysoką przewodność cieplną, siłę pola przebicia i ruchliwość nośników. To znacznie zmniejszy straty, szybko rozproszy ciepło i wydłuży żywotność urządzeń. Ponadto może działać z mocą wyjściową i sprawnością energetyczną 50 000 razy wyższą niż urządzenia krzemowe i 1200 razy wyższą częstotliwością.
Natomiast do zastosowań przemysłowych w elektroniceUrządzenia półprzewodnikowe wymagają wysokiej jakości płytek diamentowych o dużych rozmiarach. Chociaż próby stworzenia narzędzi diamentowych trwają od wielu lat. Do tej pory nie rozwiązano problemów związanych ze stapianiem i obróbką materiału.
— Grafen
Grafen jest dwuwymiarową modyfikacją alotropowąwęgiel. Grafen ma potencjał, by przewyższyć krzem jako wszechstronny materiał półprzewodnikowy, przewiduje McKinsey, ale może upłynąć nawet 25 lat, zanim nastąpi szeroka komercjalizacja.
Kluczową cechą tego materiału jest elastyczność,dlatego można z niego wytwarzać różne skomplikowane urządzenia. Materiał ten jest uważany za obiecujący do wykorzystania w przyszłości, a na całym świecie istnieją całe instytuty zajmujące się badaniem i rozwojem grafenu.
Może być przydatny w różnych branżach:od nowoczesnych sieci energetycznych i energii alternatywnej po biomedycynę. W mikroelektronice grafen może znaleźć zastosowanie w ultraczułych mikroprocesorach, elementach komputerów kwantowych i czujnikach o ekstremalnych parametrach.
— Arsenek boru
Naukowcy dopiero w lipcu 2022 rz MIT oświadczyli, że znaleźli najlepszy znany półprzewodnik. Okazało się, że był to sześcienny arsenek boru. Materiał ten jest związkiem arsenu i boru.
Jego przewodność cieplna jest 10 razy większa niż przewodność cieplnakrzem Co więcej, w przeciwieństwie do tego ostatniego i arsenku galu, półprzewodnik na bazie boru wykazuje wysoką ruchliwość nie tylko elektronów, ale także dziur.
Chociaż naukowcy twierdzą, że ten materiałpotencjalnie może zastąpić krzem, ale podobnie jak w przypadku grafenu, jest to wciąż bardzo odległe. Na przykład najpierw musisz opracować tanie sposoby wytwarzania tego materiału o wysokiej jakości.
Pomimo dużej popularności i skutecznościpółprzewodniki krzemowe, potrzebne są analogi. Producenci są do tego popychani przez dwa czynniki jednocześnie. Po pierwsze, technologia osiągnęła już niemal granicę, powyżej której nie da się tworzyć coraz mniejszych i potężniejszych urządzeń. Po drugie, stały wzrost popytu na krzem prowadzi do wzrostu jego ceny.
Kryzys produkcji, który powstał podczas pandemiikoronawirus pokazał, jak niebezpieczne jest poleganie na jednym źródle. Dlatego firmy i naukowcy na całym świecie pracują nad stworzeniem alternatywy. Można jednak przypuszczać, że ze względu na taniość, dostępność i ugruntowaną produkcję urządzeń krzemowych, materiał ten jeszcze przez jakiś czas będzie zajmował wiodącą pozycję w mikroelektronice.
Czytaj więcej:
„To jest science fiction”: naukowcy tworzą całkowicie nowy typ komputerów kwantowych
Czym są supergeny i jak sprawiają, że zwierzęta są takie dziwne
ISS „strzela” wiązkami laserowymi w Ziemię: dlaczego jest to potrzebne i jak to działa