De la aparate electrocasnice și computere „simple” la celule solare, tranzistori cu efect de câmp și drone
Liderul clar în industrie în acest moment este siliciul.Dar nu este potrivit pentru toate dispozitivele, în plus, proprietățile fizice ale semiconductorului limitează posibilitățile de miniaturizare ulterioară și creșterea puterii cipurilor și crearea de dispozitive flexibile. Din fericire, există și alte materiale alternative.
Vă spunem cum funcționează semiconductorii și ceexistă alternative promițătoare la siliciu pentru crearea de microelectronice. Puteți citi mai multe despre piață în general în numărul din iulie al rezumatului despre robotică „Microelectronics. Cu cât mai puțin, cu atât mai bine”, pregătit de Universitatea Innopolis.
Ce este un semiconductor
Un semiconductor este un material care, conform specificului săuconductivitatea ocupă o poziţie intermediară între conductori şi dielectrici. De obicei, este un solid cristalin. Conduce electricitatea în anumite condiții, făcându-l ideal pentru controlul fluxului de curent.
Semiconductorii în starea lor normală de conduităcurent puțin sau deloc care îl blochează. Dar odată cu creșterea temperaturii sau sub acțiunea luminii, încep să transmită mai bine sarcinile electrice. De asemenea, conductivitatea semiconductorilor se modifică atunci când se introduce o impuritate - acest proces se numește dopaj.
Diferență importantă între un semiconductor și un conductorconstă în faptul că curentul din el este transportat nu numai de electroni, ci și de locurile libere lăsate de aceștia - găuri. Găurile rămase în banda de valență pot fi ocupate de electroni din stări de energie inferioară și, prin urmare, contribuie la fluxul de curent.
Una dintre caracteristicile cheie ale unui semiconductor esteeste mobilitatea purtătorilor de sarcină (electroni și găuri). Acesta este un coeficient care arată relația dintre viteza medie a particulelor și câmpul electric extern aplicat. Mobilitatea electronilor și a găurilor poate fi diferită, de exemplu, în siliciu la temperatura camerei, particulele încărcate negativ se mișcă de aproape trei ori mai repede decât cele pozitive.
În plus, semiconductorii variază în lățimezona interzisa. Aceasta este energia minimă necesară pentru a muta un electron din banda de valență în banda de conducție. Pentru metale și alți semiconductori, este egal cu 0, iar când atinge un nivel de 4 eV sau mai mult, materialul devine un dielectric.
O altă caracteristică importantă a semiconductorilor este conductivitatea termică. Arată cât de rapid și ușor va fi posibilă îndepărtarea căldurii din componente pentru a proteja dispozitivul de supraîncălzire.
Siliciu
Siliciul este al doilea după carbon în ceea ce priveșteabundența unui element chimic pe Pământ. Principalul său avantaj este că este ușor de extras, cristalele de siliciu sunt relativ ușor de lucrat și oferă proprietăți electrice și mecanice generale bune. Chiar și în ciuda mobilității relativ scăzute a electronilor și a găurilor, acesta rămâne materialul optim pentru producția de microelectronice.
Un alt avantaj este că atunci cândatunci când este utilizat în circuite integrate, formează oxid de siliciu de înaltă calitate, care acționează ca un strat izolator între diverse elemente active.
Pentru a crește densitatea elementelor șiviteza circuitelor integrate, se folosesc combinații de elemente de siliciu monocristalin și policristalin. Și pentru a crește conductivitatea siliciului policristalin, acesta este dopat.
Semiconductori de siliciu sunt folosiți pe scară largă pentrucrearea de circuite integrate, tranzistoare bipolare și cu efect de câmp, dispozitive cuplate la sarcină, fotodiode de mare viteză și multe alte dispozitive. Iar produsele pe bază de siliciu, cum ar fi MOSFET-urile super-joncțiune sau IGBT-urile, pot fi utilizate într-o gamă largă de tensiuni (de la câteva până la câteva sute de volți) și în diferite clase de putere.
germaniu
Trăim în era „siliciului”, și poatePoate părea că microelectronica a început cu acest material, dar germaniul a fost primul. A fost folosit în multe dispozitive timpurii, de la diode de detecție radar până la primele tranzistoare. Până la sfârșitul anilor 1960, a fost principalul semiconductor folosit în dispozitivele electronice și abia la începutul anilor 70 a fost înlocuit cu siliciu.
Noul „campion” este mult mai comun, astaEste mai ieftin de produs și are un bandgap mai larg și o conductivitate termică mai bună. Dar germaniul are și avantajul său: suporturile de încărcare din acest material sunt mult mai mobile.
De exemplu, la o temperatură de 300 K (aproximativ 27°C), electronii din „primul” semiconductor se mișcă de aproape trei ori mai repede decât cei ai siliciului, iar găurile se mișcă de aproape patru ori mai repede.
Deși germaniul nu este potrivit pentru modernmicroelectronica, datorita acestor proprietati este inca folosita in unele dispozitive RF. De exemplu, este folosit pentru a crea dispozitive cu microunde, echipamente audio, precum și echipamente de putere redusă și de precizie.
arseniura de galiu
Arsenalul de galiu este al doilea cel mai multsemiconductor comun utilizat astăzi. Spre deosebire de siliciu și germaniu, arseniura de galiu este un compus, nu un element și se obține prin combinarea galiului trivalent cu arsenul, care are cinci electroni de valență.
Bandgap mare și mareMobilitatea electronilor face ca dispozitivele cu arseniură de galiu să răspundă rapid la semnalele electrice, făcând acest compus potrivit pentru amplificarea semnalelor de înaltă frecvență. În plus, acest material și-a demonstrat eficiența la temperaturi ridicate și o bună rezistență la radiații.
Arseniura de galiu a fost folosită de mult timp înmicroelectronică, astfel încât producția de dispozitive bazate pe aceasta este depanată. Datorită proprietăților sale speciale, materialul este utilizat în principal pentru a crea dispozitive microunde microelectronice: circuite integrate digitale și analogice, tranzistoare cu efect de câmp discrete și diode Gunn, care funcționează fără joncțiune p-n pe cheltuiala fondurilor proprii ale materialului. În plus, microcircuite pe bază de arseniură de galiu sunt folosite la fabricarea telefoanelor mobile, dispozitivelor cu microunde, dispozitivelor de comunicații prin satelit și a unor sisteme radar.
Cu toate acestea, este un material fragil cu mai puținmobilitatea orificiilor decât siliciul, ceea ce face imposibilă crearea de dispozitive, cum ar fi, de exemplu, tranzistoare CMOS, circuite electronice de mare viteză și de economisire a energiei. De asemenea, este relativ dificil de fabricat, adăugând la costul dispozitivelor cu arseniură de galiu. Și are o conductivitate termică destul de scăzută, ceea ce crește riscul de supraîncălzire a dispozitivelor.
Materialele viitorului
— Diamante
Diamantul are o bandă interzisă mai mare de 3 eV, deci prin definiție este un dielectric. Cu toate acestea, atunci când sunt adăugate impurități, piatra prețioasă devine un semiconductor.
Teoretic semiconductor de diamantDispozitivele au proprietăți fizice excelente, inclusiv conductivitate termică ridicată, puterea câmpului de defalcare și mobilitatea purtătorului. Acest lucru va reduce semnificativ pierderile, va disipa rapid căldura și va crește durata de viață a dispozitivelor. În plus, poate funcționa la o putere de ieșire și o eficiență energetică de 50.000 de ori mai mare decât dispozitivele din silicon și o frecvență de 1.200 de ori mai mare.
Cu toate acestea, pentru aplicații industriale în electronicăDispozitivele semiconductoare necesită plăci de diamant de înaltă calitate, de dimensiuni mari. Deși încercările de a crea unelte diamantate au loc de mulți ani. Până acum, problemele asociate cu alierea și prelucrarea materialului nu au fost rezolvate.
— Grafen
Grafenul este o modificare alotropică bidimensionalăcarbon. Grafenul are potențialul de a depăși siliciul ca material semiconductor versatil, prezice McKinsey, dar ar putea dura până la 25 de ani până la comercializarea pe scară largă.
Caracteristica cheie a acestui material este flexibilitatea,prin urmare, din acesta pot fi produse diverse dispozitive complexe. Acest material este considerat promițător pentru utilizarea ulterioară și există institute întregi din întreaga lume dedicate cercetării și dezvoltării în domeniul grafenului.
Poate fi util într-o varietate de industrii:de la rețele energetice moderne și energie alternativă la biomedicină. În microelectronică, grafenul poate fi utilizat în microprocesoare ultrasensibile, elemente ale computerelor cuantice și senzori cu parametri extremi.
— Arseniura de bor
În iulie 2022, cercetătoriide la MIT au spus că au găsit cel mai bun semiconductor cunoscut. S-a dovedit a fi arseniură de bor cubic. Acest material este un compus de arsen și bor.
Conductivitatea sa termică este de 10 ori mai mare decât cea asiliciu Mai mult, spre deosebire de acesta din urmă și arseniura de galiu, semiconductorul pe bază de bor demonstrează o mobilitate ridicată nu numai pentru electroni, ci și pentru găuri.
Deși oamenii de știință spun că acest materialpotențial capabil să înlocuiască siliciul, dar, ca și în cazul grafenului, acesta este încă foarte departe. De exemplu, mai întâi trebuie să dezvoltați modalități ieftine de a produce acest material de înaltă calitate.
În ciuda popularității și eficacității ridicatesemiconductori de siliciu, sunt necesari analogi. Producătorii sunt împinși în acest sens de doi factori simultan. În primul rând, tehnologia a atins aproape o limită dincolo de care va fi imposibil să se creeze dispozitive din ce în ce mai mici și mai puternice. Și în al doilea rând, creșterea constantă a cererii de siliciu duce la creșterea prețului acestuia.
Criza producției care a apărut în timpul pandemieicoronavirusul a arătat cât de periculos este să te bazezi pe o singură sursă. Prin urmare, companiile și oamenii de știință din întreaga lume lucrează pentru a crea o alternativă. Cu toate acestea, se poate presupune că, datorită prețului ieftin, disponibilității și producției bine stabilite a dispozitivelor din siliciu, acest material va deține o poziție de lider în microelectronică pentru o vreme de acum încolo.
Citeste mai mult:
„Aceasta este science fiction”: oamenii de știință creează un tip fundamental nou de computere cuantice
Ce sunt supergenele și cum fac animalele atât de ciudate
ISS „trage” raze laser către Pământ: de ce este nevoie și cum funcționează