Од „једноставних“ кућних апарата и рачунара до соларних ћелија, транзистора са ефектом поља и дронова
Јасни лидер у индустрији тренутно је силицијум.Али није погодан за све уређаје, осим тога, физичка својства полупроводника ограничавају могућности даље минијатуризације и повећања снаге чипова и стварања флексибилних уређаја. На срећу, постоје и други алтернативни материјали.&нбсп;
Говоримо вам како полупроводници раде и штапостоје обећавајуће алтернативе силицијуму за стварање микроелектронике. Више о тржишту уопште можете прочитати у јулском издању сажетка о роботици „Микроелектроника. Што мање, то боље”, припремио Универзитет Иннополис.
Шта је полупроводник
Полупроводник је материјал који према својој специфичностипроводљивост је средња између проводника и диелектрика. Обично је то кристална чврста супстанца. Проводи електричну енергију под одређеним условима, што га чини идеалним за контролу тока струје.
Полупроводници у свом нормалном стањумала или никаква струја која га блокира. Али са повећањем температуре или под утицајем светлости, они почињу боље да преносе електричне набоје. Такође, проводљивост полупроводника се мења када се унесе нечистоћа – овај процес се назива допинг.
Важна разлика између полупроводника и проводникалежи у чињеници да струју у њему носе не само електрони, већ и празна места која су остављена од њих - рупе. Преостале рупе у валентном појасу могу бити заузете електронима из нижих енергетских стања и на тај начин допринети протоку струје.&нбсп;
Једна од кључних карактеристика полупроводника јеје покретљивост носилаца наелектрисања (електрона и рупа). Ово је коефицијент који показује однос између просечне брзине честице и примењеног спољашњег електричног поља. Мобилност електрона и рупа може бити различита, на пример, у силицијуму на собној температури, негативно наелектрисане честице се крећу скоро три пута брже од позитивних.
Поред тога, полупроводници се разликују по ширинизабрањена зона. Ово је минимална енергија потребна за померање електрона из валентног појаса у појас проводљивости. За метале и друге полупроводнике он је једнак 0, а када се достигне ниво од 4 еВ или више, материјал постаје диелектрик.
Још једна важна карактеристика полупроводника је топлотна проводљивост. Показује колико ће брзо и лако бити могуће уклонити топлоту са компоненти како би се уређај заштитио од прегревања.
Силицијум
Силицијум је други по питању угљеникаобиље хемијског елемента на Земљи. Његова главна предност је у томе што се лако копа, силицијумски кристали су релативно лаки за рад и пружају добра укупна електрична и механичка својства. Чак и упркос релативно малој покретљивости електрона и рупа, он остаје оптималан материјал за производњу микроелектрона.
Још једна предност је што кадакада се користи у интегрисаним колима, формира висококвалитетни силицијум оксид, који делује као изолациони слој између различитих активних елемената.
За повећање густине елемената ибрзина интегрисаних кола, користе се комбинације елемената монокристалног и поликристалног силицијума. А да би се повећала проводљивост поликристалног силицијума, он је допиран.
Силицијумски полупроводници се широко користе застварање интегрисаних кола, биполарних транзистора и транзистора са ефектом поља, уређаја са спрегнутим пуњењем, брзих фотодиода и многих других уређаја. А производи на бази силицијума, као што су суперјунцтион МОСФЕТ-ови или ИГБТ-ови, могу се користити у широком распону напона (од неколико до неколико стотина волти) иу различитим класама снаге.
германијум
Живимо у ери „силикона“, а мождаМожда се чини да је микроелектроника почела са овим материјалом, али германијум је био први. Коришћен је у многим раним уређајима, од диода за откривање радара до првих транзистора. До краја 1960-их био је главни полупроводник који се користио у електронским уређајима, а тек почетком 70-их замењен је силицијумом.&нбсп;
Нови "шампион" је много чешћи, тјЈефтинија је за производњу и има шири појас и бољу топлотну проводљивост. Али германијум има и своју предност: носиоци наелектрисања у овом материјалу су много покретљивији.&нбсп;
На пример, на температури од 300 К (око 27°Ц), електрони у "првом" полупроводнику крећу се скоро три пута брже од оних у силицијуму, а рупе се крећу скоро четири пута брже.
Иако германијум није погодан за модернемикроелектронике, због ових својстава се још увек користи у неким радио-фреквентним уређајима. На пример, користи се за креирање микроталасних уређаја, аудио опреме, као и опреме мале снаге и прецизности.
галијум арсенид
Галијум арсенид је други по величиниуобичајени полупроводник који се данас користи. За разлику од силицијума и германијума, галијум-арсенид је једињење, а не елемент, и добија се комбиновањем тровалентног галијума са арсеном, који има пет валентних електрона.
Велики појас и високМобилност електрона узрокује да уређаји са галијум арсенидом брзо реагују на електричне сигнале, чинећи ово једињење погодним за појачавање сигнала високе фреквенције. Поред тога, овај материјал је показао своју ефикасност на високим температурама и добру отпорност на зрачење.
Галијум арсенид се дуго користи умикроелектронике, па се отклања грешке у производњи уређаја заснованих на њој. Због својих посебних својстава, материјал се углавном користи за израду микроталасних микроелектронских уређаја: дигиталних и аналогних интегрисаних кола, дискретних транзистора са ефектом поља и Ганових диода, које раде без п-н споја о трошку сопствених средстава материјала. Поред тога, микро кола на бази галијум-арсенида користе се у производњи мобилних телефона, микроталасних уређаја, уређаја за сателитску комуникацију и неких радарских система.
Међутим, то је крхки материјал са мањепокретљивост рупа него силицијум, што онемогућава стварање уређаја као што су, на пример, ЦМОС транзистори, брза електронска кола која штеде енергију. Такође је релативно тешко произвести, што повећава цену уређаја са галијум арсенидом. И има прилично ниску топлотну проводљивост, што повећава ризик од прегревања уређаја.
Материјали будућности
— Дијаманти
Дијамант има ширину појаса већи од 3 еВ, тако да је по дефиницији диелектрик. Међутим, када се додају нечистоће, драги камен постаје полупроводник.&нбсп;
Теоретски дијамантски полупроводникУређаји имају одличне физичке особине, укључујући високу топлотну проводљивост, јачину поља пробоја и мобилност носача. Ово ће значајно смањити губитке, брзо распршити топлоту и повећати век трајања уређаја. Поред тога, може да ради на излазној снази и енергетској ефикасности 50.000 пута већој од силицијумских уређаја и 1.200 пута већој фреквенцији.
Међутим, за индустријску примену у електронициПолупроводнички уређаји захтевају висококвалитетне дијамантске плочице велике величине. Иако покушаји стварања дијамантских алата трају већ дуги низ година. До сада нису решени проблеми везани за легирање и прераду материјала.
— Графен
Графен је дводимензионална алотропна модификацијаугљеник. Графен има потенцијал да надмаши силицијум као свестрани полупроводнички материјал, предвиђа МцКинсеи, али би могло проћи и до 25 година пре широко распрострањене комерцијализације.
Кључна карактеристика овог материјала је флексибилност,па се од њега могу произвести различити сложени уређаји. Овај материјал се сматра перспективним за његову даљу употребу, а широм света постоје читави институти посвећени истраживању и развоју у области графена.
Може бити корисно у различитим индустријама:од савремених енергетских мрежа и алтернативне енергије до биомедицине. У микроелектроници, графен се може користити у ултраосетљивим микропроцесорима, елементима квантних рачунара и сензорима са екстремним параметрима.
— Бор арсенид
Истраживачи су тек у јулу 2022са МИТ-а су рекли да су пронашли најбољи познати полупроводник. Испоставило се да је то кубни бор арсенид. Овај материјал је једињење арсена и бора.&нбсп;
Његова топлотна проводљивост је 10 пута већа од топлотне проводљивостисилицијум Штавише, за разлику од последњег и галијум арсенида, полупроводник на бази бора показује високу покретљивост не само за електроне, већ и за рупе.&нбсп;
Иако научници кажу да овај материјалпотенцијално у стању да замени силицијум, али, као и код графена, ово је још увек веома далеко. На пример, прво морате развити јефтине начине за производњу овог материјала високог квалитета.
Упркос великој популарности и ефикасностисилицијумски полупроводници, потребни су аналози. Произвођаче ка томе гурају два фактора одједном. Прво, технологија је скоро достигла границу преко које ће бити немогуће стварати све мање и моћније уређаје. И друго, стално повећање потражње за силицијумом доводи до његовог поскупљења.&нбсп;
Криза производње која је настала током пандемијеКорона вирус је показао колико је опасно ослањати се на један извор. Стога компаније и научници широм света раде на стварању алтернативе. Ипак, може се претпоставити да ће због јефтиности, доступности и добро успостављене производње силицијумских уређаја овај материјал још неко време задржати водећу позицију у микроелектроници.
Опширније:
„Ово је научна фантастика“: научници стварају фундаментално нову врсту квантних рачунара
Шта су супергени и како чине животиње тако чудним
ИСС „пуца“ ласерским зрацима на Земљу: зашто је то потребно и како функционише