ไม่ใช่ซิลิกอนเพียงอย่างเดียว: ​​วัสดุอะไรที่เป็นเซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบัน

ตั้งแต่เครื่องใช้ในบ้านและคอมพิวเตอร์ "เรียบง่าย" ไปจนถึงเซลล์แสงอาทิตย์ ทรานซิสเตอร์ภาคสนาม และโดรน

วงจรยานยนต์ - อุปกรณ์ทั้งหมดต้องใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในการทำงาน โลกสมัยใหม่เป็นหนี้การดำรงอยู่ของมันอย่างแท้จริง

ผู้นำที่ชัดเจนในอุตสาหกรรมในขณะนี้คือซิลิคอนแต่ไม่เหมาะสำหรับอุปกรณ์ทั้งหมด นอกจากนี้ คุณสมบัติทางกายภาพของเซมิคอนดักเตอร์ยังจำกัดความเป็นไปได้ในการย่อขนาดให้เล็กลงและเพิ่มพลังของชิปและการสร้างอุปกรณ์ที่ยืดหยุ่น โชคดีที่มีวัสดุทางเลือกอื่นๆ 

เราบอกคุณว่าเซมิคอนดักเตอร์ทำงานอย่างไรและอย่างไรมีทางเลือกอื่นที่น่าสนใจสำหรับซิลิคอนสำหรับการสร้างไมโครอิเล็กทรอนิกส์ คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับตลาดโดยทั่วไปได้ในหัวข้อย่อยของวิทยาการหุ่นยนต์ "ไมโครอิเล็กทรอนิกส์" ฉบับเดือนกรกฎาคม ยิ่งน้อยยิ่งดี” จัดทำโดยมหาวิทยาลัยอินโนโพลิส

เซมิคอนดักเตอร์คืออะไร

เซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุที่มีลักษณะเฉพาะการนำไฟฟ้าเป็นตัวกลางระหว่างตัวนำและไดอิเล็กทริก โดยปกติแล้วจะเป็นของแข็งที่เป็นผลึก มันนำไฟฟ้าภายใต้เงื่อนไขบางประการทำให้เหมาะสำหรับการควบคุมการไหลของกระแส

เซมิคอนดักเตอร์ในสภาวะปกติการปิดกั้นกระแสไฟน้อยหรือไม่มีเลย แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรืออยู่ภายใต้อิทธิพลของแสง ประจุไฟฟ้าก็เริ่มส่งผ่านได้ดีขึ้น นอกจากนี้ ค่าการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์จะเปลี่ยนแปลงเมื่อมีการนำสิ่งเจือปนเข้ามา ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่าการเติม

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และตัวนำอยู่ในความจริงที่ว่ากระแสในนั้นไม่เพียงถูกพาไปด้วยอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงตำแหน่งว่างที่พวกมันทิ้งไว้ด้วย - หลุม รูที่เหลืออยู่ในแถบเวเลนซ์สามารถถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอนจากสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า และด้วยเหตุนี้จึงมีส่วนช่วยในการไหลของกระแส

ลักษณะสำคัญของสารกึ่งตัวนำคือคือการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุ (อิเล็กตรอนและรู) นี่คือสัมประสิทธิ์ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วอนุภาคเฉลี่ยกับสนามไฟฟ้าภายนอกที่ใช้ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและรูอาจแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ในซิลิคอนที่อุณหภูมิห้อง อนุภาคที่มีประจุลบจะเคลื่อนที่เร็วกว่าอนุภาคบวกเกือบสามเท่า

นอกจากนี้ เซมิคอนดักเตอร์ยังมีความกว้างต่างกันเขตต้องห้าม นี่คือพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการย้ายอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า สำหรับโลหะและสารกึ่งตัวนำอื่นๆ จะเท่ากับ 0 และเมื่อถึงระดับ 4 eV ขึ้นไป วัสดุจะกลายเป็นไดอิเล็กตริก

ลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่งของเซมิคอนดักเตอร์คือการนำความร้อน แสดงให้เห็นว่าสามารถขจัดความร้อนออกจากส่วนประกอบได้อย่างรวดเร็วและง่ายดายเพียงใด เพื่อป้องกันอุปกรณ์จากความร้อนสูงเกินไป

ซิลิคอน

ซิลิคอนเป็นอันดับสองรองจากคาร์บอนในแง่ของความอุดมสมบูรณ์ขององค์ประกอบทางเคมีบนโลก ข้อได้เปรียบหลักของมันคือการขุดง่าย ผลึกซิลิกอนค่อนข้างใช้งานง่าย และให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกลโดยรวมที่ดี แม้ว่าอิเล็กตรอนและรูจะเคลื่อนที่ได้ค่อนข้างต่ำ แต่ก็ยังคงเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตไมโครอิเล็กทรอนิกส์

ข้อดีอีกอย่างคือเมื่อเมื่อใช้ในวงจรรวมจะเกิดซิลิกอนออกไซด์คุณภาพสูงซึ่งทำหน้าที่เป็นชั้นฉนวนระหว่างองค์ประกอบที่ใช้งานต่างๆ

เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของธาตุและความเร็วของวงจรรวม ใช้ส่วนผสมของซิลิกอนผลึกเดี่ยวและพอลิคริสตัลไลน์ผสมกัน และเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าของโพลีคริสตัลลีนซิลิกอน

สารกึ่งตัวนำซิลิกอนใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการสร้างวงจรรวม ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์และภาคสนาม อุปกรณ์ชาร์จคู่ โฟโตไดโอดความเร็วสูง และอุปกรณ์อื่น ๆ อีกมากมาย และผลิตภัณฑ์ที่ใช้ซิลิกอน เช่น superjunction MOSFET หรือ IGBT สามารถใช้ได้กับแรงดันไฟฟ้าที่หลากหลาย (ตั้งแต่สองสามถึงหลายร้อยโวลต์) และในคลาสกำลังต่างๆ

ปัจจัยที่มีผลต่อความซับซ้อนในการผลิต ภาพ: มหาวิทยาลัยอินโนโพลิส

เจอร์เมเนียม

เราอยู่ในยุค "ซิลิคอน" และบางทีอาจดูเหมือนว่าไมโครอิเล็กทรอนิกส์เริ่มต้นด้วยวัสดุนี้ แต่เจอร์เมเนียมเป็นชนิดแรก มันถูกใช้ในอุปกรณ์ยุคแรกๆ มากมาย ตั้งแต่ไดโอดตรวจจับเรดาร์ไปจนถึงทรานซิสเตอร์ตัวแรกๆ จนถึงปลายทศวรรษ 1960 ซิลิคอนเป็นเซมิคอนดักเตอร์หลักที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และเฉพาะในช่วงต้นทศวรรษที่ 70 เท่านั้นที่ถูกแทนที่ด้วยซิลิคอน

การมี “แชมป์” ใหม่นั้นเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้นนั่นเองมีราคาถูกกว่าในการผลิตและมี bandgap ที่กว้างกว่าและมีค่าการนำความร้อนที่ดีกว่า แต่เจอร์เมเนียมก็มีข้อได้เปรียบเช่นกัน: พาหะประจุในวัสดุนี้มีความคล่องตัวมากกว่ามาก

ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิ 300 K (ประมาณ 27°C) อิเล็กตรอนในเซมิคอนดักเตอร์ "ตัวแรก" จะเคลื่อนที่เร็วกว่าของซิลิคอนเกือบสามเท่า และรูจะเคลื่อนที่เร็วกว่าเกือบสี่เท่า

แม้ว่าเจอร์เมเนียมจะไม่เหมาะกับยุคใหม่ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้ จึงยังคงใช้ในอุปกรณ์ความถี่วิทยุบางตัว ตัวอย่างเช่น ใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์ไมโครเวฟ เครื่องเสียง และอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำและมีความแม่นยำ

การเคลื่อนที่ของตัวพาประจุในเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ภาพ: มหาวิทยาลัยอินโนโพลิส

แกลเลียมอาร์เซไนด์

แกลเลียมอาร์เซไนด์เป็นอันดับสองเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ไม่เหมือนซิลิกอนและเจอร์เมเนียม แกลเลียม อาร์เซไนด์เป็นสารประกอบ ไม่ใช่องค์ประกอบ และได้มาจากการรวมแกลเลียมไตรวาเลนต์กับสารหนูซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนห้าตัว

bandgap ขนาดใหญ่และสูงการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนทำให้อุปกรณ์แกลเลียมอาร์เซไนด์ตอบสนองต่อสัญญาณไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว ทำให้สารประกอบนี้เหมาะสำหรับการขยายสัญญาณความถี่สูง นอกจากนี้ สารนี้ยังแสดงประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงและทนต่อรังสีได้ดี

แกลเลียม arsenide ถูกใช้มานานแล้วในmicroelectronics ดังนั้นการผลิตอุปกรณ์ตามนั้นจึงถูกดีบั๊ก เนื่องจากคุณสมบัติพิเศษ วัสดุนี้จึงใช้เป็นหลักในการสร้างอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ไมโครเวฟ: วงจรรวมแบบดิจิตอลและแอนะล็อก ทรานซิสเตอร์ภาคสนามแบบแยกส่วน และไดโอด Gunn ซึ่งทำงานโดยไม่มีจุดเชื่อมต่อ p-n โดยเสียค่าใช้จ่ายจากเงินทุนของวัสดุเอง นอกจากนี้ ไมโครเซอร์กิตที่ใช้แกลเลียมอาร์เซไนด์ยังใช้ในการผลิตโทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์ไมโครเวฟ อุปกรณ์สื่อสารผ่านดาวเทียม และระบบเรดาร์บางระบบ

อย่างไรก็ตามเป็นวัสดุที่เปราะบางรูเคลื่อนที่ได้ดีกว่าซิลิกอน ซึ่งทำให้ไม่สามารถสร้างอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ทรานซิสเตอร์ CMOS วงจรอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงและประหยัดพลังงาน การผลิตยังค่อนข้างยาก ทำให้ต้นทุนของอุปกรณ์แกลเลียมอาร์เซไนด์เพิ่มขึ้น และมีการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงของอุปกรณ์ที่มีความร้อนสูงเกินไป

วัสดุแห่งอนาคต

— เพชร

เพชรมีช่องว่างของแถบความถี่มากกว่า 3 eV ดังนั้นตามคำจำกัดความแล้ว มันเป็นไดอิเล็กทริก อย่างไรก็ตาม เมื่อเติมสิ่งเจือปนเข้าไป อัญมณีจะกลายเป็นเซมิคอนดักเตอร์ 

เซมิคอนดักเตอร์เพชรในทางทฤษฎีอุปกรณ์ดังกล่าวมีคุณสมบัติทางกายภาพที่ดีเยี่ยม ซึ่งรวมถึงการนำความร้อนสูง ความแรงของสนามที่พังทลาย และการเคลื่อนที่ของตัวพา ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียได้อย่างมาก กระจายความร้อนอย่างรวดเร็ว และเพิ่มอายุการใช้งานของอุปกรณ์ นอกจากนี้ยังสามารถทำงานด้วยกำลังขับและประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงกว่าอุปกรณ์ซิลิกอนถึง 50,000 เท่า และความถี่สูงกว่า 1,200 เท่า

อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต้องการเวเฟอร์เพชรขนาดใหญ่คุณภาพสูง แม้ว่าความพยายามที่จะสร้างเครื่องมือเพชรได้ดำเนินมาหลายปีแล้ว จนถึงตอนนี้ ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการผสมและการแปรรูปวัสดุยังไม่ได้รับการแก้ไข

การนำความร้อนของสารกึ่งตัวนำชนิดต่างๆ ภาพ: มหาวิทยาลัยอินโนโพลิส

— กราฟีน

Graphene เป็นการดัดแปลง allotropic สองมิติคาร์บอน. กราฟีนมีศักยภาพที่จะแซงหน้าซิลิคอนในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อเนกประสงค์ McKinsey คาดการณ์ แต่อาจใช้เวลาถึง 25 ปีก่อนที่การค้าจะแพร่หลาย

ลักษณะสำคัญของวัสดุนี้คือความยืดหยุ่นดังนั้นจึงสามารถผลิตอุปกรณ์ที่ซับซ้อนต่างๆได้ วัสดุนี้ถือว่ามีแนวโน้มที่ดีสำหรับการใช้งานต่อไป และมีสถาบันทั่วโลกที่ทุ่มเทให้กับการวิจัยและพัฒนาในด้านกราฟีน

มีประโยชน์ในหลากหลายอุตสาหกรรม:จากเครือข่ายพลังงานสมัยใหม่และพลังงานทดแทนไปจนถึงชีวการแพทย์ ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ สามารถใช้กราฟีนในไมโครโปรเซสเซอร์ที่มีความไวสูง องค์ประกอบของคอมพิวเตอร์ควอนตัม และเซ็นเซอร์ที่มีพารามิเตอร์ที่รุนแรง

— โบรอนอาร์เซไนด์

ล่าสุดเมื่อเดือนกรกฎาคม 2565 นักวิจัยจาก MIT กล่าวว่าพวกเขาได้พบเซมิคอนดักเตอร์ที่ดีที่สุดแล้ว มันกลายเป็นอาร์เซไนด์ลูกบาศก์โบรอน วัสดุนี้เป็นสารประกอบของสารหนูและโบรอน

ค่าการนำความร้อนสูงกว่าค่าการนำความร้อนถึง 10 เท่าซิลิคอน ยิ่งไปกว่านั้น ไม่เหมือนกับอย่างหลังและแกลเลียมอาร์เซไนด์ตรงที่เซมิคอนดักเตอร์ที่มีโบรอนแสดงให้เห็นถึงความคล่องตัวสูงไม่เพียงแต่สำหรับอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงรูด้วย 

แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะบอกว่าวัสดุนี้อาจแทนที่ซิลิกอนได้ แต่เช่นเดียวกับกราฟีน สิ่งนี้ยังห่างไกลออกไปมาก ตัวอย่างเช่น ขั้นแรก คุณต้องพัฒนาวิธีที่ถูกเพื่อผลิตวัสดุนี้มีคุณภาพสูง

แม้จะได้รับความนิยมและประสิทธิผลสูงก็ตามเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนจำเป็นต้องมีแอนะล็อก ผู้ผลิตกำลังถูกผลักดันด้วยปัจจัยสองประการพร้อมกัน ประการแรก เทคโนโลยีเกือบจะถึงขีดจำกัดแล้ว ซึ่งเกินกว่าที่จะสร้างอุปกรณ์ที่เล็กลงและทรงพลังยิ่งขึ้นไปไม่ได้เลย และประการที่สอง ความต้องการซิลิคอนที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องส่งผลให้ราคาสูงขึ้น 

วิกฤตการผลิตที่เกิดขึ้นในช่วงการแพร่ระบาดcoronavirus แสดงให้เห็นว่าการพึ่งพาแหล่งเดียวนั้นอันตรายเพียงใด ดังนั้น บริษัทและนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจึงทำงานเพื่อสร้างทางเลือกใหม่ อย่างไรก็ตาม สามารถสันนิษฐานได้ว่าเนื่องจากความถูก ความพร้อมใช้งาน และการผลิตอุปกรณ์ซิลิกอนที่เป็นที่ยอมรับ วัสดุนี้จะเป็นผู้นำในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ในบางครั้ง

อ่านเพิ่มเติม:

“นี่คือนิยายวิทยาศาสตร์”: นักวิทยาศาสตร์สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมชนิดใหม่โดยพื้นฐาน

supergenes คืออะไรและพวกมันทำให้สัตว์แปลกได้อย่างไร

สถานีอวกาศนานาชาติ "ยิง" ลำแสงเลเซอร์ที่พื้นโลก: เหตุใดจึงจำเป็นและทำงานอย่างไร