De eletrodomésticos e computadores “simples” a células solares, transistores de efeito de campo e drones
O líder claro da indústria no momento é o silício.Mas não é adequado para todos os dispositivos; além disso, as propriedades físicas do semicondutor limitam as possibilidades de maior miniaturização e aumento do poder dos chips e da criação de dispositivos flexíveis. Felizmente, existem outros materiais alternativos.
Nós dizemos a você como os semicondutores funcionam e o queexistem alternativas promissoras ao silício para a criação de microeletrônica. Você pode ler mais sobre o mercado em geral na edição de julho do resumo sobre robótica “Microeletrônica. Quanto menos, melhor”, elaborado pela Innopolis University.
O que é um semicondutor
Um semicondutor é um material que, de acordo com suaA condutividade ocupa uma posição intermediária entre os condutores e os dielétricos. Normalmente, é um sólido cristalino. Ele conduz eletricidade sob certas condições, tornando-o ideal para controlar o fluxo de corrente.
Semicondutores em seu estado normal de conduçãopouca ou nenhuma corrente bloqueando-o. Mas com o aumento da temperatura ou sob a ação da luz, eles começam a transmitir melhor as cargas elétricas. Além disso, a condutividade dos semicondutores muda quando uma impureza é introduzida - esse processo é chamado de dopagem.
Diferença importante entre um semicondutor e um condutorreside no fato de que a corrente nele contida é transportada não apenas pelos elétrons, mas também pelas vagas deixadas por eles - buracos. As lacunas restantes na banda de valência podem ser ocupadas por elétrons de estados de energia mais baixos e, assim, contribuir para o fluxo de corrente.
Uma das principais características de um semicondutor éé a mobilidade dos portadores de carga (elétrons e buracos). Este é um coeficiente que mostra a relação entre a velocidade média das partículas e o campo elétrico externo aplicado. A mobilidade de elétrons e buracos pode ser diferente, por exemplo, no silício à temperatura ambiente, partículas carregadas negativamente se movem quase três vezes mais rápido que as positivas.
Além disso, os semicondutores variam em largurazona proibida. Esta é a energia mínima necessária para mover um elétron da banda de valência para a banda de condução. Para metais e outros semicondutores, é igual a 0, e quando um nível de 4 eV ou mais é atingido, o material se torna um dielétrico.
Outra característica importante dos semicondutores é a condutividade térmica. Ele mostra com que rapidez e facilidade será possível remover o calor dos componentes para proteger o dispositivo contra superaquecimento.
Silício
O silício perde apenas para o carbono em termos deabundância de um elemento químico na Terra. Sua principal vantagem é que é fácil de minerar, os cristais de silício são relativamente fáceis de trabalhar e fornecem boas propriedades elétricas e mecânicas gerais. Mesmo apesar da mobilidade relativamente baixa de elétrons e buracos, continua sendo o material ideal para a produção microeletrônica.
Outra vantagem é que quandoquando usado em circuitos integrados, forma óxido de silício de alta qualidade, que atua como uma camada isolante entre vários elementos ativos.
Para aumentar a densidade dos elementos evelocidade dos circuitos integrados, são usadas combinações de elementos de silício monocristalino e policristalino. E para aumentar a condutividade do silício policristalino, ele é dopado.
Os semicondutores de silício são amplamente utilizados paracriação de circuitos integrados, transistores bipolares e de efeito de campo, dispositivos de carga acoplada, fotodiodos de alta velocidade e muitos outros dispositivos. E produtos à base de silício, como MOSFETs de superjunção ou IGBTs, podem ser usados em uma ampla faixa de tensões (de algumas a várias centenas de volts) e em várias classes de potência.
Germânio
Vivemos na era do “silício” e talvezPode parecer que a microeletrônica começou com esse material, mas o germânio foi o primeiro. Foi usado em muitos dispositivos iniciais, desde diodos de detecção de radar até os primeiros transistores. Até o final da década de 1960, foi o principal semicondutor utilizado em dispositivos eletrônicos, e somente no início da década de 1970 foi substituído pelo silício.
O novo “campeão” é muito mais comum, éÉ mais barato de produzir e tem um bandgap mais amplo e melhor condutividade térmica. Mas o germânio também tem a sua vantagem: os portadores de carga deste material são muito mais móveis.
Por exemplo, a uma temperatura de 300 K (cerca de 27°C), os elétrons no “primeiro” semicondutor se movem quase três vezes mais rápido que os do silício, e os buracos se movem quase quatro vezes mais rápido.
Embora o germânio não seja adequado paramicroeletrônica, devido a essas propriedades ainda é utilizado em alguns dispositivos de RF. Por exemplo, é usado para criar dispositivos de microondas, equipamentos de áudio, bem como equipamentos de baixa potência e precisão.
arseneto de gálio
O arseneto de gálio é o segundo maissemicondutor comum em uso hoje. Ao contrário do silício e do germânio, o arseneto de gálio é um composto, não um elemento, e é obtido pela combinação de gálio trivalente com arsênico, que possui cinco elétrons de valência.
Bandgap grande e altoA mobilidade eletrônica faz com que os dispositivos de arseneto de gálio respondam rapidamente aos sinais elétricos, tornando este composto adequado para amplificar sinais de alta frequência. Além disso, este material mostrou sua eficiência em altas temperaturas e boa resistência à radiação.
O arseneto de gálio tem sido usado há muito tempo emmicroeletrônica, então a produção de dispositivos baseados nela é depurada. Devido às suas propriedades especiais, o material é usado principalmente para criar dispositivos microeletrônicos de micro-ondas: circuitos integrados digitais e analógicos, transistores de efeito de campo discretos e diodos Gunn, que operam sem junção p-n às custas de recursos próprios do material. Além disso, microcircuitos à base de arseneto de gálio são usados na fabricação de telefones celulares, dispositivos de micro-ondas, dispositivos de comunicação via satélite e alguns sistemas de radar.
No entanto, é um material frágil com menosmaior mobilidade do que o silício, o que impossibilita a criação de dispositivos como, por exemplo, transistores CMOS, circuitos eletrônicos de alta velocidade e economia de energia. Também é relativamente difícil de fabricar, aumentando o custo dos dispositivos de arseneto de gálio. E tem uma condutividade térmica bastante baixa, o que aumenta o risco de superaquecimento dos dispositivos.
Materiais do futuro
— Diamantes
O diamante tem um band gap superior a 3 eV, portanto, por definição, é um dielétrico. No entanto, quando impurezas são adicionadas, a pedra preciosa se torna um semicondutor.
Teoricamente diamante semicondutorOs dispositivos têm excelentes propriedades físicas, incluindo alta condutividade térmica, força de campo de ruptura e mobilidade do portador. Isso reduzirá significativamente as perdas, dissipará rapidamente o calor e aumentará a vida útil dos dispositivos. Além disso, ele pode operar com uma potência de saída e eficiência energética 50.000 vezes maior do que os dispositivos de silício e uma frequência 1.200 vezes maior.
No entanto, para aplicações industriais em eletrônicaDispositivos semicondutores requerem wafers de diamante de tamanho grande e de alta qualidade. Embora as tentativas de criar ferramentas de diamante tenham ocorrido há muitos anos. Até agora, os problemas associados à liga e ao processamento do material não foram resolvidos.
— Grafeno
O grafeno é uma modificação alotrópica bidimensionalcarbono. O grafeno tem o potencial de superar o silício como um material semicondutor versátil, prevê a McKinsey, mas pode levar até 25 anos antes da comercialização generalizada.
A principal característica deste material é a flexibilidade,portanto, vários dispositivos complexos podem ser produzidos a partir dele. Este material é considerado promissor para uso posterior, e existem institutos inteiros ao redor do mundo dedicados à pesquisa e desenvolvimento na área de grafeno.
Pode ser útil em uma variedade de indústrias:das modernas redes de energia e energias alternativas à biomedicina. Em microeletrônica, o grafeno pode ser usado em microprocessadores ultrassensíveis, elementos de computadores quânticos e sensores com parâmetros extremos.
— Arseneto de boro
Ainda em julho de 2022, pesquisadoresdo MIT disseram ter encontrado o melhor semicondutor conhecido. Descobriu-se que era arsenieto cúbico de boro. Este material é um composto de arsênico e boro.
Sua condutividade térmica é 10 vezes maior que a dosilício Além disso, ao contrário deste último e do arsenieto de gálio, o semicondutor à base de boro demonstra alta mobilidade não apenas para elétrons, mas também para buracos.
Embora os cientistas digam que este materialpotencialmente capaz de substituir o silício, mas, assim como o grafeno, isso ainda está muito distante. Por exemplo, primeiro você precisa desenvolver maneiras baratas de produzir esse material com alta qualidade.
Apesar da alta popularidade e eficáciasemicondutores de silício, são necessários análogos. Os fabricantes estão sendo pressionados nessa direção por dois fatores ao mesmo tempo. Primeiro, a tecnologia quase atingiu um limite além do qual será impossível criar dispositivos cada vez menores e mais potentes. E em segundo lugar, o aumento constante da demanda por silício leva ao aumento de seu preço.
A crise de produção que surgiu durante a pandemiaO coronavírus mostrou o quão perigoso é confiar em uma única fonte. Portanto, empresas e cientistas de todo o mundo estão trabalhando para criar uma alternativa. No entanto, pode-se supor que, devido ao baixo custo, disponibilidade e produção bem estabelecida de dispositivos de silício, este material manterá uma posição de liderança em microeletrônica por algum tempo.
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