Od „jednoduchých“ domácich spotrebičov a počítačov po solárne články, tranzistory s efektom poľa a drony
Jasným lídrom v tomto odvetví je momentálne kremík.Nie je ale vhodný pre všetky zariadenia, navyše fyzikálne vlastnosti polovodiča obmedzujú možnosti ďalšej miniaturizácie a zvyšovania výkonu čipov a vytvárania flexibilných zariadení. Našťastie existujú aj iné alternatívne materiály.
Povieme vám, ako fungujú polovodiče a čoexistujú sľubné alternatívy kremíka na vytvorenie mikroelektroniky. Viac o trhu vo všeobecnosti si môžete prečítať v júlovom vydaní prehľadu o robotike „Mikroelektronika. Čím menej, tým lepšie“, pripravila Innopolis University.
Čo je to polovodič
Polovodič je materiál, ktorý podľa svojich špecifvodivosť zaberá strednú polohu medzi vodičmi a dielektrikami. Typicky je to kryštalická pevná látka. Za určitých podmienok vedie elektrinu, vďaka čomu je ideálny na riadenie toku prúdu.
Polovodiče sa správajú v normálnom staveblokuje ho malý alebo žiadny prúd. Ale so zvýšením teploty alebo pri pôsobení svetla začnú lepšie prenášať elektrické náboje. Taktiež vodivosť polovodičov sa mení, keď sa do nich vnesie nečistota – tento proces sa nazýva doping.
Dôležitý rozdiel medzi polovodičom a vodičomspočíva v tom, že prúd v ňom nie je prenášaný len elektrónmi, ale aj ich voľnými miestami - dierami. Diery zostávajúce vo valenčnom pásme môžu byť obsadené elektrónmi z nižších energetických stavov a tým prispieť k toku prúdu.
Jednou z kľúčových vlastností polovodiča jeje pohyblivosť nosičov náboja (elektrónov a dier). Toto je koeficient, ktorý ukazuje vzťah medzi priemernou rýchlosťou častíc a aplikovaným vonkajším elektrickým poľom. Pohyblivosť elektrónov a dier môže byť rôzna, napríklad v kremíku pri izbovej teplote sa negatívne nabité častice pohybujú takmer trikrát rýchlejšie ako kladné.
Okrem toho sa polovodiče líšia v šírkezakázaná zóna. Toto je minimálna energia potrebná na presun elektrónu z valenčného pásma do vodivého pásma. Pre kovy a iné polovodiče sa rovná 0 a keď dosiahne úroveň 4 eV alebo viac, materiál sa stane dielektrikom.
Ďalšou dôležitou charakteristikou polovodičov je tepelná vodivosť. Ukazuje, ako rýchlo a jednoducho bude možné odobrať teplo z komponentov, aby bolo zariadenie chránené pred prehriatím.
kremík
Kremík je na druhom mieste za uhlíkomhojnosť chemického prvku na Zemi. Jeho hlavnou výhodou je ľahká ťažba, relatívne ľahké spracovanie kremíkových kryštálov a celkovo dobré elektrické a mechanické vlastnosti. Aj napriek relatívne nízkej pohyblivosti elektrónov a dier zostáva optimálnym materiálom pre mikroelektronickú výrobu.
Ďalšou výhodou je, že kedypri použití v integrovaných obvodoch tvorí vysoko kvalitný oxid kremičitý, ktorý pôsobí ako izolačná vrstva medzi rôznymi aktívnymi prvkami.
Na zvýšenie hustoty prvkov arýchlosti integrovaných obvodov sa využívajú kombinácie prvkov monokryštálového a polykryštalického kremíka. A na zvýšenie vodivosti polykryštalického kremíka je dopovaný.
Silikónové polovodiče sú široko používanétvorba integrovaných obvodov, bipolárnych a poľných tranzistorov, nábojovo viazaných zariadení, vysokorýchlostných fotodiód a mnohých ďalších zariadení. A produkty na báze kremíka, ako sú super-junction MOSFET alebo IGBT, možno použiť v širokom rozsahu napätí (od niekoľkých do niekoľkých stoviek voltov) a v rôznych výkonových triedach.
Germánium
Žijeme v „kremíkovej“ dobe a možnoMôže sa zdať, že mikroelektronika začala s týmto materiálom, ale germánium bolo prvé. Bol použitý v mnohých skorých zariadeniach, od radarových detekčných diód až po prvé tranzistory. Do konca 60. rokov minulého storočia bol hlavným polovodičom používaným v elektronických zariadeniach a až začiatkom 70. rokov bol nahradený kremíkom.
Nový "šampión" je oveľa bežnejšíJe lacnejší na výrobu a má širší bandgap a lepšiu tepelnú vodivosť. Ale germánium má aj svoju výhodu: nosiče náboja v tomto materiáli sú oveľa mobilnejšie.
Napríklad pri teplote 300 K (asi 27 °C) sa elektróny v „prvom“ polovodiči pohybujú takmer trikrát rýchlejšie ako v kremíku a diery sa pohybujú takmer štyrikrát rýchlejšie.
Hoci germánium nie je vhodné pre modernémikroelektronika, vďaka týmto vlastnostiam sa dodnes používa v niektorých RF zariadeniach. Používa sa napríklad na vytváranie mikrovlnných zariadení, audio zariadení, ako aj nízkoenergetických a presných zariadení.
arzenid gália
Na druhom mieste je arzenid gáliabežný polovodič, ktorý sa dnes používa. Na rozdiel od kremíka a germánia je arzenid gália zlúčenina, nie prvok, a získava sa spojením trojmocného gália s arzénom, ktorý má päť valenčných elektrónov.
Veľká bandgap a vysokáMobilita elektrónov spôsobuje, že zariadenia s arzenidom gália rýchlo reagujú na elektrické signály, vďaka čomu je táto zlúčenina vhodná na zosilnenie vysokofrekvenčných signálov. Okrem toho tento materiál preukázal svoju účinnosť pri vysokých teplotách a dobrú odolnosť voči žiareniu.
Arzenid gália sa už dlho používa vmikroelektronika, takže výroba zariadení na jej základe je odladená. Vďaka svojim špeciálnym vlastnostiam sa materiál používa najmä na vytváranie mikrovlnných mikroelektronických zariadení: digitálnych a analógových integrovaných obvodov, diskrétnych tranzistorov s efektom poľa a Gunnových diód, ktoré pracujú bez p-n prechodu na úkor vlastných zdrojov materiálu. Okrem toho sa mikroobvody na báze arzenidu gália používajú pri výrobe mobilných telefónov, mikrovlnných zariadení, satelitných komunikačných zariadení a niektorých radarových systémov.
Je to však krehký materiál s menejmobilita dier ako kremík, čo znemožňuje vytváranie zariadení, ako sú napríklad tranzistory CMOS, vysokorýchlostné a energeticky úsporné elektronické obvody. Je tiež pomerne ťažké vyrobiť, čo zvyšuje náklady na zariadenia s arzenidom gália. A má pomerne nízku tepelnú vodivosť, čo zvyšuje riziko prehriatia zariadení.
Materiály budúcnosti
— Diamanty
Diamant má zakázané pásmo väčšie ako 3 eV, takže podľa definície ide o dielektrikum. Keď sa však pridajú nečistoty, z drahokamu sa stane polovodič.
Teoreticky diamantový polovodičZariadenia majú vynikajúce fyzikálne vlastnosti, vrátane vysokej tepelnej vodivosti, intenzity prierazného poľa a mobility nosiča. Tým sa výrazne znížia straty, rýchlo sa odvedie teplo a zvýši sa životnosť zariadení. Okrem toho môže pracovať s výstupným výkonom a energetickou účinnosťou 50 000-krát vyššou ako kremíkové zariadenia a 1 200-krát vyššou frekvenciou.
Avšak pre priemyselné aplikácie v elektronikePolovodičové zariadenia vyžadujú vysoko kvalitné diamantové doštičky veľkých rozmerov. Hoci pokusy o vytvorenie diamantových nástrojov prebiehajú už mnoho rokov. Doteraz neboli vyriešené problémy spojené s legovaním a spracovaním materiálu.
— Grafén
Grafén je dvojrozmerná alotropická modifikáciauhlíka. Grafén má potenciál prekonať kremík ako všestranný polovodičový materiál, predpovedá McKinsey, ale môže trvať až 25 rokov, kým sa rozšíri komercializácia.
Kľúčovou vlastnosťou tohto materiálu je flexibilita,preto sa z neho dajú vyrábať rôzne zložité zariadenia. Tento materiál sa považuje za perspektívny pre jeho ďalšie využitie a po celom svete existujú celé inštitúty, ktoré sa venujú výskumu a vývoju v oblasti grafénu.
Môže byť užitočný v rôznych odvetviach:od moderných energetických sietí a alternatívnej energie až po biomedicínu. V mikroelektronike môže byť grafén použitý v ultracitlivých mikroprocesoroch, prvkoch kvantových počítačov a senzoroch s extrémnymi parametrami.
— Arzenid bóru
Ešte v júli 2022 výskumníciz MIT povedali, že našli najlepší známy polovodič. Ukázalo sa, že ide o kubický arzenid bóru. Tento materiál je zlúčeninou arzénu a bóru.
Jeho tepelná vodivosť je 10-krát väčšia ako tepelná vodivosťkremíka Navyše, na rozdiel od arzenidu gália, polovodič na báze bóru vykazuje vysokú mobilitu nielen pre elektróny, ale aj pre diery.
Hoci vedci tvrdia, že tento materiálpotenciálne schopný nahradiť kremík, ale rovnako ako v prípade grafénu je to stále veľmi ďaleko. Napríklad najprv musíte vyvinúť lacné spôsoby výroby tohto materiálu s vysokou kvalitou.
Napriek vysokej popularite a účinnostikremíkové polovodiče, sú potrebné analógy. Výrobcov k tomu tlačia dva faktory naraz. Po prvé, technológia takmer dosiahla hranicu, za ktorou už nebude možné vytvárať stále menšie a výkonnejšie zariadenia. A po druhé, neustály nárast dopytu po kremíku vedie k jeho zdražovaniu.
Výrobná kríza, ktorá vznikla počas pandémiekoronavírus ukázal, aké nebezpečné je spoliehať sa na jeden zdroj. Spoločnosti a vedci po celom svete preto pracujú na vytvorení alternatívy. Napriek tomu sa dá predpokladať, že vzhľadom na lacnosť, dostupnosť a zabehnutú výrobu kremíkových zariadení bude tento materiál ešte nejaký čas držať popredné miesto v mikroelektronike.
Čítaj viac:
„Toto je sci-fi“: vedci vytvárajú zásadne nový typ kvantových počítačov
Čo sú to supergény a ako robia zvieratá tak zvláštne
ISS „vystreľuje“ laserové lúče na Zem: prečo je to potrebné a ako to funguje