“Basit” ev aletleri ve bilgisayarlardan güneş pillerine, alan etkili transistörlere ve dronlara kadar
Şu anda sektörün açık lideri silikondur.Ancak tüm cihazlar için uygun değildir; ayrıca yarı iletkenin fiziksel özellikleri, daha fazla minyatürleştirme ve çiplerin gücünün arttırılması ve esnek cihazların yaratılması olanaklarını sınırlandırmaktadır. Neyse ki başka alternatif malzemeler de var.
Size yarı iletkenlerin nasıl çalıştığını ve ne olduğunu anlatıyoruz.mikroelektronik oluşturmak için silikona umut verici alternatifler var. Genel olarak pazar hakkında daha fazla bilgiyi robotik “Mikroelektronik” konulu özetin Temmuz sayısında okuyabilirsiniz. Innopolis Üniversitesi tarafından hazırlanan ne kadar az, o kadar iyi”.
yarı iletken nedir
Bir yarı iletken, kendine özgü özelliklerine göre bir malzemedir.iletkenlik, iletkenler ve dielektrikler arasında orta düzeydedir. Tipik olarak, kristal bir katıdır. Belirli koşullar altında elektriği ileterek akım akışını kontrol etmek için idealdir.
Normal durum davranışlarında yarı iletkenlerakımı engelleyen çok az veya hiç yok. Ancak sıcaklıktaki bir artışla veya ışığın etkisi altında elektrik yüklerini daha iyi iletmeye başlarlar. Ayrıca, bir safsızlık eklendiğinde yarı iletkenlerin iletkenliği değişir - bu işleme doping denir.
Yarı iletken ve iletken arasındaki önemli farkiçindeki akımın sadece elektronlar tarafından değil, aynı zamanda onların bıraktığı boşluklar (delikler) tarafından da taşınması gerçeğinde yatmaktadır. Değerlik bandında kalan delikler, daha düşük enerji durumlarındaki elektronlar tarafından doldurulabilir ve böylece akımın akışına katkıda bulunabilir.
Bir yarı iletkenin temel özelliklerinden biri,yük taşıyıcıların (elektronlar ve delikler) hareketliliğidir. Bu, ortalama parçacık hızı ile uygulanan dış elektrik alanı arasındaki ilişkiyi gösteren bir katsayıdır. Elektronların ve deliklerin hareketliliği farklı olabilir, örneğin silikonda oda sıcaklığında negatif yüklü parçacıklar pozitif olanlardan neredeyse üç kat daha hızlı hareket eder.
Ek olarak, yarı iletkenler genişlik bakımından farklılık gösterir.yasak bölge. Bu, bir elektronu değerlik bandından iletkenlik bandına hareket ettirmek için gereken minimum enerjidir. Metaller ve diğer yarı iletkenler için 0'a eşittir ve 4 eV veya daha fazla bir seviyeye ulaşıldığında malzeme bir dielektrik olur.
Yarı iletkenlerin bir diğer önemli özelliği termal iletkenliktir. Cihazı aşırı ısınmadan korumak için bileşenlerden ısının ne kadar hızlı ve kolay bir şekilde uzaklaştırılabileceğini gösterir.
Silikon
Silikon, karbondan sonra sadece ikinci sıradadır.Yeryüzünde bir kimyasal elementin bolluğu. Başlıca avantajı, madenciliğinin kolay olması, silikon kristalleriyle çalışmanın nispeten kolay olması ve genel olarak iyi elektriksel ve mekanik özellikler sağlamasıdır. Elektronların ve deliklerin nispeten düşük hareketliliğine rağmen, mikroelektronik üretim için en uygun malzeme olmaya devam ediyor.
Diğer bir avantaj, ne zamanentegre devrelerde kullanıldığında, çeşitli aktif elementler arasında yalıtkan bir tabaka görevi gören yüksek kaliteli silikon oksit oluşturur.
Elementlerin yoğunluğunu arttırmak veentegre devrelerin hızı, tek kristal ve polikristal silikon elemanlarının kombinasyonları kullanılır. Ve polikristal silikonun iletkenliğini arttırmak için katkılıdır.
Silikon yarı iletkenler yaygın olarak kullanılmaktadır.entegre devreler, bipolar ve alan etkili transistörler, şarj bağlantılı cihazlar, yüksek hızlı fotodiyotlar ve diğer birçok cihazın oluşturulması. Ve süperjonksiyon MOSFET'leri veya IGBT'ler gibi silikon bazlı ürünler, çok çeşitli voltajlarda (birkaç ila birkaç yüz volt) ve çeşitli güç sınıflarında kullanılabilir.
Germanyum
“Silikon” çağında yaşıyoruz ve belkiMikroelektronik bu malzemeyle başlamış gibi görünebilir, ancak ilki germanyumdu. Radar tespit diyotlarından ilk transistörlere kadar birçok eski cihazda kullanıldı. 1960'ların sonuna kadar elektronik cihazlarda kullanılan ana yarı iletkendi ve ancak 70'lerin başında yerini silikon aldı.
Yeni "şampiyon" çok daha yaygın.Üretilmesi daha ucuzdur ve daha geniş bant aralığına ve daha iyi termal iletkenliğe sahiptir. Ancak germanyumun da bir avantajı var: Bu malzemedeki yük taşıyıcıları çok daha hareketlidir.
Örneğin, 300 K (yaklaşık 27°C) sıcaklıkta, "birinci" yarı iletkendeki elektronlar, silikondan neredeyse üç kat daha hızlı hareket eder ve delikler neredeyse dört kat daha hızlı hareket eder.
Germanyum modern için uygun olmasa damikroelektronik, bu özelliklerinden dolayı hala bazı radyo frekans cihazlarında kullanılmaktadır. Örneğin, mikrodalga cihazları, ses cihazları ve ayrıca düşük güçlü ve hassas cihazlar oluşturmak için kullanılır.
galyum arsenit
Galyum arsenit ikinci enBugün kullanılan ortak yarı iletken. Silisyum ve germanyumdan farklı olarak, galyum arsenit bir element değil bir bileşiktir ve üç değerlikli galyumun beş değerlik elektronu olan arsenik ile birleştirilmesiyle elde edilir.
Geniş bant aralığı ve yüksekElektron hareketliliği, galyum arsenit cihazlarının elektrik sinyallerine hızlı tepki vermesine neden olarak bu bileşiği yüksek frekanslı sinyalleri yükseltmek için uygun hale getirir. Ek olarak, bu malzeme yüksek sıcaklıklarda etkinliğini ve radyasyona karşı iyi direncini göstermiştir.
Galyum arsenit uzun süredir kullanılmaktadır.mikroelektronik, bu nedenle buna dayalı cihazların üretimi hata ayıklanır. Özel özellikleri nedeniyle, malzeme esas olarak mikrodalga mikroelektronik cihazlar oluşturmak için kullanılır: dijital ve analog entegre devreler, ayrık alan etkili transistörler ve malzemenin kendi kaynakları pahasına bir p-n bağlantısı olmadan çalışan Gunn diyotları. Ayrıca galyum arsenit bazlı mikro devreler cep telefonları, mikrodalga cihazları, uydu iletişim cihazları ve bazı radar sistemlerinin imalatında kullanılmaktadır.
Bununla birlikte, daha az kırılgan bir malzemedir.örneğin CMOS transistörler, yüksek hızlı ve enerji tasarruflu elektronik devreler gibi cihazlar oluşturmayı imkansız kılan silikondan daha delik hareketliliği. Galyum arsenit cihazlarının maliyetine ek olarak, imal edilmesi de nispeten zordur. Ve cihazların aşırı ısınma riskini artıran oldukça düşük bir termal iletkenliğe sahiptir.
Geleceğin malzemeleri
— Elmaslar
Elmas 3 eV'den daha büyük bir bant aralığına sahiptir, dolayısıyla tanımı gereği bir dielektriktir. Bununla birlikte, safsızlıklar eklendiğinde değerli taş yarı iletken hale gelir.
Teorik olarak elmas yarı iletkenCihazlar, yüksek termal iletkenlik, arıza alan gücü ve taşıyıcı hareketliliği dahil olmak üzere mükemmel fiziksel özelliklere sahiptir. Bu, kayıpları önemli ölçüde azaltacak, ısıyı hızla dağıtacak ve cihazların hizmet ömrünü artıracaktır. Ayrıca silikon cihazlardan 50.000 kat ve 1.200 kat daha yüksek frekansta çıkış gücü ve enerji verimliliğinde çalışabilir.
Ancak elektronikte endüstriyel uygulamalar içinYarı iletken cihazlar, yüksek kaliteli, büyük boyutlu elmas levhalar gerektirir. Elmas aletler yaratma girişimleri uzun yıllardır devam etmesine rağmen. Şimdiye kadar, malzemenin alaşımlanması ve işlenmesi ile ilgili problemler çözülmedi.
— Grafen
Grafen, iki boyutlu bir allotropik modifikasyondur.karbon. McKinsey, grafenin silikonu çok yönlü bir yarı iletken malzeme olarak aşma potansiyeline sahip olduğunu tahmin ediyor, ancak yaygın olarak ticarileştirilmesi 25 yıl kadar sürebilir.
Bu malzemenin temel özelliği esnekliktir,bu nedenle, ondan çeşitli karmaşık cihazlar üretilebilir. Bu materyalin daha sonraki kullanımı için umut verici olduğu düşünülüyor ve dünya çapında grafen alanında araştırma ve geliştirmeye adanmış tüm enstitüler var.
Çeşitli endüstrilerde faydalı olabilir:modern enerji ağlarından ve alternatif enerjiden biyotıbba. Mikroelektronikte grafen, aşırı hassas mikroişlemcilerde, kuantum bilgisayarların elemanlarında ve aşırı parametrelere sahip sensörlerde kullanılabilir.
— Bor arsenit
Temmuz 2022 gibi yakın bir tarihte araştırmacılarMIT'den bilinen en iyi yarı iletkeni bulduklarını söyledi. Kübik bor arsenit olduğu ortaya çıktı. Bu malzeme arsenik ve borun bir bileşiğidir.
Isıl iletkenliği diğerlerine göre 10 kat daha fazladır.silikon Üstelik galyum arsenit ve galyum arsenitten farklı olarak bor bazlı yarı iletken, yalnızca elektronlar için değil aynı zamanda delikler için de yüksek hareketlilik sergiliyor.
Bilim adamları bu malzemeninpotansiyel olarak silikonun yerini alabilir, ancak grafende olduğu gibi, bu hala çok uzak. Örneğin, bu malzemeyi yüksek kalitede üretmek için önce ucuz yollar geliştirmeniz gerekiyor.
Yüksek popülerliğe ve etkinliğe rağmensilikon yarı iletkenlere, analoglara ihtiyaç vardır. Üreticileri aynı anda iki faktör buna itiyor. Birincisi, teknoloji artık neredeyse daha küçük ve daha güçlü cihazlar yaratmanın imkansız olacağı bir sınıra ulaştı. İkincisi, silikona olan talebin sürekli artması fiyatının artmasına neden oluyor.
Pandemi sırasında ortaya çıkan üretim kriziKoronavirüs, tek bir kaynağa güvenmenin ne kadar tehlikeli olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, dünyanın dört bir yanındaki şirketler ve bilim adamları bir alternatif oluşturmak için çalışıyor. Bununla birlikte, silikon cihazların ucuzluğu, bulunabilirliği ve köklü üretimi nedeniyle, bu malzemenin bir süre daha mikro elektronikte lider bir konuma sahip olacağı varsayılabilir.
Daha fazla oku:
“Bu bilim kurgu”: bilim adamları temelde yeni bir tür kuantum bilgisayar yaratıyor
Süpergenler nedir ve hayvanları nasıl bu kadar tuhaf yaparlar?
ISS, Dünya'da lazer ışınlarını "çekiyor": neden gerekli ve nasıl çalışıyor?