Från "enkla" hushållsapparater och datorer till solceller, fälteffekttransistorer och drönare
Очевидный лидер отрасли сейчас — кремний.Men det är inte lämpligt för alla enheter; dessutom begränsar de fysiska egenskaperna hos halvledaren möjligheterna till ytterligare miniatyrisering och ökar kraften hos chips och skapandet av flexibla enheter. Som tur är finns det andra alternativa material.
Vi berättar hur halvledare fungerar och vaddet finns lovande alternativ till kisel för att skapa mikroelektronik. Du kan läsa mer om marknaden generellt i julinumret av sammanfattningen om robotik ”Microelectronics. Ju mindre, desto bättre”, utarbetad av Innopolis University.
Vad är en halvledare
En halvledare är ett material som, enligt dess specifikakonduktiviteten upptar en mellanposition mellan ledare och dielektrikum. Vanligtvis är det ett kristallint fast ämne. Den leder elektricitet under vissa förhållanden, vilket gör den idealisk för att kontrollera strömflödet.
Halvledare i sitt normala tillståndliten eller ingen ström som blockerar den. Men med en ökning av temperaturen eller under påverkan av ljus börjar de bättre överföra elektriska laddningar. Dessutom ändras konduktiviteten hos halvledare när en förorening introduceras - denna process kallas doping.
En viktig skillnad mellan halvledaren är att strömmen i den inte bara bärs av elektroner utan också av de vakanser som de lämnar - hål.Hålen som finns kvar i valensbandet kan upptas av elektroner från lägre energitillstånd och på så sätt bidra till strömflödet.
En av de viktigaste egenskaperna hos en halvledare ärär laddningsbärarnas (elektroner och hål) rörlighet. Detta är en koefficient som visar sambandet mellan medelpartikelhastigheten och det pålagda yttre elektriska fältet. Rörligheten för elektroner och hål kan vara annorlunda, till exempel i kisel vid rumstemperatur rör sig negativt laddade partiklar nästan tre gånger snabbare än positiva.
Dessutom varierar halvledare i breddförbjuden zon. Detta är den minsta energi som krävs för att flytta en elektron från valensbandet till ledningsbandet. För metaller och andra halvledare är det lika med 0, och när en nivå på 4 eV eller mer nås blir materialet ett dielektrikum.
En annan viktig egenskap hos halvledare är värmeledningsförmåga. Den visar hur snabbt och enkelt det kommer att vara möjligt att ta bort värme från komponenterna för att skydda enheten från överhettning.
Kisel
Kisel är näst efter kol när det gälleröverflöd av ett kemiskt element på jorden. Dess främsta fördel är att den är lätt att bryta, kiselkristaller är relativt lätta att arbeta med och ger bra övergripande elektriska och mekaniska egenskaper. Även trots den relativt låga rörligheten av elektroner och hål förblir det det optimala materialet för mikroelektronisk produktion.
En annan fördel är att närnär den används i integrerade kretsar bildar den högkvalitativ kiseloxid, som fungerar som ett isolerande skikt mellan olika aktiva element.
För att öka tätheten av element ochhastighet hos integrerade kretsar, kombinationer av element av enkristall och polykristallint kisel används. Och för att öka ledningsförmågan hos polykristallint kisel dopas det.
Kiselhalvledare används ofta förskapande av integrerade kretsar, bipolära och fälteffekttransistorer, laddningskopplade enheter, höghastighetsfotodioder och många andra enheter. Och kiselbaserade produkter, såsom super-junction MOSFETs eller IGBTs, kan användas i ett brett spektrum av spänningar (från några till flera hundra volt) och i olika effektklasser.
Germanium
Vi lever i "kisel"-eran, och det kan tyckas att mikroelektronik började med detta material, men germanium var det första.Det användes i många tidiga enheter: dioder för att upptäcka radar före de första transistorerna.Fram till slutet av 1960-talet var det den viktigaste halvledaren som användes i elektroniska enheter, och först i början av 70-talet ersattes den av kisel.
Den nya "mästaren" är mycket vanligare, billigare att producera och har ett bredare bandgap och bättre värmeledningsförmåga.Men germanium har också sin egen fördel: laddningsbärarna i detta material är mycket mer mobila.
Till exempel, vid en temperatur på 300 K (cirka 27°C), rör sig elektronerna i den "första" halvledaren nästan tre gånger snabbare än kiselns, och hålen rör sig nästan fyra gånger snabbare.
Även om germanium inte är lämplig för modernmikroelektronik, på grund av dessa egenskaper används den fortfarande i vissa radiofrekvensenheter. Till exempel används den för att skapa mikrovågsenheter, ljudutrustning, såväl som lågeffekts- och precisionsutrustning.
galliumarsenid
Galliumarsenid är näst mestvanliga halvledare som används idag. Till skillnad från kisel och germanium är galliumarsenid en förening, inte ett grundämne, och erhålls genom att kombinera trevärt gallium med arsenik, som har fem valenselektroner.
Stort bandgap och högtElektronrörligheten gör att galliumarsenidenheter reagerar snabbt på elektriska signaler, vilket gör denna förening lämplig för att förstärka högfrekventa signaler. Dessutom har detta material visat sin effektivitet vid höga temperaturer och god motståndskraft mot strålning.
Galliumarsenid har länge använts imikroelektronik, så produktionen av enheter baserade på den felsöks. På grund av dess speciella egenskaper används materialet huvudsakligen för att skapa mikrovågsmikroelektroniska enheter: digitala och analoga integrerade kretsar, diskreta fälteffekttransistorer och Gunn-dioder, som fungerar utan en p-n-övergång på bekostnad av materialets egna resurser. Dessutom används galliumarsenidbaserade mikrokretsar vid tillverkning av mobiltelefoner, mikrovågsenheter, satellitkommunikationsenheter och vissa radarsystem.
Det är dock ett sprött material med mindrehålrörlighet än kisel, vilket gör det omöjligt att skapa enheter som till exempel CMOS-transistorer, höghastighets- och energibesparande elektroniska kretsar. Det är också relativt svårt att tillverka, vilket ökar kostnaden för galliumarsenidanordningar. Och den har en ganska låg värmeledningsförmåga, vilket ökar risken för överhettning av enheter.
Framtidens material
-Ruter
Bandgapet för en diamant är större än 3 eV, så per definition är det ett dielektrikum.Men när föroreningar tillsätts blir ädelstenen en halvledare.
Teoretiskt diamanthalvledareEnheterna har utmärkta fysikaliska egenskaper, inklusive hög värmeledningsförmåga, nedbrytningsfältstyrka och bärarrörlighet. Detta kommer avsevärt att minska förlusterna, snabbt avleda värme och öka livslängden för enheter. Dessutom kan den arbeta med en uteffekt och energieffektivitet som är 50 000 gånger högre än silikonenheter och 1 200 gånger högre frekvens.
Dock för industriella tillämpningar i elektroniskaHalvledarenheter kräver högkvalitativa, stora diamantskivor. Även om försök att skapa diamantverktyg har pågått i många år. Hittills har problemen förknippade med legering och bearbetning av materialet inte lösts.
— Grafen
Grafen är en tvådimensionell allotrop modifieringkol. Grafen har potential att överträffa kisel som ett mångsidigt halvledarmaterial, förutspår McKinsey, men det kan ta upp till 25 år innan en omfattande kommersialisering.
Den viktigaste egenskapen hos detta material är flexibilitet,därför kan olika komplexa enheter produceras från den. Detta material anses lovande för dess vidare användning, och det finns hela institut runt om i världen som är dedikerade till forskning och utveckling inom grafenområdet.
Det kan vara användbart i en mängd olika branscher:från moderna energinät och alternativ energi till biomedicin. Inom mikroelektronik kan grafen användas i ultrakänsliga mikroprocessorer, element i kvantdatorer och sensorer med extrema parametrar.
— Borarsenid
Så sent som i juli 2022, forskarefrån MIT sa att de hade hittat den bästa halvledaren kända. Det visade sig vara kubisk borarsenid. Detta material är en förening av arsenik och bor.
Dess värmeledningsförmåga är 10 gånger högre än den förkisel Dessutom, till skillnad från den senare och galliumarsenid, uppvisar den borbaserade halvledaren hög rörlighet inte bara för elektroner utan även för hål.
Även om forskare säger att detta materialpotentiellt kunna ersätta kisel, men som med grafen är detta fortfarande väldigt långt borta. Till exempel måste du först utveckla billiga sätt att producera detta material med hög kvalitet.
Trots den höga populariteten och effektivitetenkiselhalvledare behövs analoger. Tillverkarna drivs mot detta av två faktorer samtidigt. För det första har tekniken nästan nått en gräns över vilken det kommer att vara omöjligt att skapa allt mindre och kraftfullare enheter. Och för det andra leder den konstanta ökningen av efterfrågan på kisel till att priset stiger.
Produktionskrisen som uppstod under pandeminCoronaviruset har visat hur farligt det är att förlita sig på en enda källa. Därför arbetar företag och forskare runt om i världen för att skapa ett alternativ. Ändå kan det antas att, på grund av billigheten, tillgängligheten och väletablerad produktion av kiselanordningar, kommer detta material att ha en ledande position inom mikroelektronik under en tid framöver.
Läs mer:
"Detta är science fiction": forskare skapar en fundamentalt ny typ av kvantdatorer
Vad är supergener och hur gör de djur så konstiga
ISS "skjuter" laserstrålar mot jorden: varför behövs det och hur fungerar det