Yarimo'tkazgich materiallari uchta transformatsion avlod orqali rivojlangan:
1-avlod (Si/Ge) zamonaviy elektronikaga asos solgan,
2-avlod (GaAs/InP) axborot inqilobini kuchaytirish uchun optoelektronik va yuqori chastotali to'siqlarni bosib o'tdi,
3-avlod (SiC/GaN) endi energiya va ekstremal ekologik muammolarni hal qiladi, uglerod neytralligi va 6G davrini ta'minlaydi.
Bu progressiya ko'p qirralilikdan materialshunoslik bo'yicha ixtisoslashuvga paradigma o'zgarishini ochib beradi.
1. Birinchi avlod yarimo'tkazgichlar: kremniy (Si) va germaniy (Ge)
Tarixiy fon
1947 yilda Bell Labs germaniy tranzistorini ixtiro qildi va yarimo'tkazgichlar davrining boshlanishini belgiladi. 1950-yillarga kelib kremniy asta-sekin barqaror oksid qatlami (SiO₂) va mo'l-ko'l tabiiy zaxiralari tufayli integral mikrosxemalar (IC) asosi sifatida germaniyni almashtirdi.
Materiallar xususiyatlari
ⅠBandgap:
Germaniy: 0,67eV (tor tarmoqli oralig'i, oqim oqimiga moyil, yuqori haroratning yomon ishlashi).
Silikon: 1,12eV (bilvosita tarmoqli oralig'i, mantiqiy davrlar uchun mos, lekin yorug'lik chiqarishga qodir emas).
Ⅱ、Silikonning afzalliklari:
Tabiiyki, MOSFET ishlab chiqarish imkonini beruvchi yuqori sifatli oksid (SiO₂) hosil qiladi.
Arzon narxlardagi va er yuzida ko'p (po'stloq tarkibining ~ 28%).
Ⅲ、Cheklovlar:
Elektronlarning past harakatchanligi (faqat 1500 sm²/(V·s)), yuqori chastotali ishlashni cheklaydi.
Zaif kuchlanish/haroratga chidamlilik (maksimal ish harorati ~150°C).
Asosiy ilovalar
Ⅰ、Integratsiyalashgan sxemalar (IC):
Protsessorlar, xotira chiplari (masalan, DRAM, NAND) yuqori integratsiya zichligi uchun kremniyga tayanadi.
Misol: Intelning 4004 (1971), birinchi tijorat mikroprotsessorida 10 mkm silikon texnologiyasidan foydalanilgan.
Ⅱ、Quvvat qurilmalari:
Dastlabki tiristorlar va past kuchlanishli MOSFETlar (masalan, kompyuter quvvat manbalari) kremniyga asoslangan edi.
Qiyinchiliklar va eskirish
Oqish va termal beqarorlik tufayli germaniy bosqichma-bosqich yo'q qilindi. Biroq, silikonning optoelektronika va yuqori quvvatli ilovalardagi cheklovlari keyingi avlod yarimo'tkazgichlarning rivojlanishiga turtki bo'ldi.
2-avlod yarimo'tkazgichlar: galiy arsenid (GaAs) va indiy fosfidi (InP)
Rivojlanish foni
1970-1980-yillarda mobil aloqa, optik tolali tarmoqlar va sun'iy yo'ldosh texnologiyalari kabi rivojlanayotgan sohalar yuqori chastotali va samarali optoelektronik materiallarga talabni oshirdi. Bu GaAs va InP kabi to'g'ridan-to'g'ri tarmoqli yarimo'tkazgichlarning rivojlanishiga turtki bo'ldi.
Materiallar xususiyatlari
Bandgap va optoelektronik ishlash:
GaAs: 1,42eV (to'g'ridan-to'g'ri tarmoqli oralig'i, yorug'lik emissiyasini ta'minlaydi - lazerlar/LEDlar uchun ideal).
InP: 1,34eV (uzoq to'lqinli ilovalar uchun yaxshiroq mos keladi, masalan, 1550nm optik tolali aloqa).
Elektron harakatchanligi:
GaAs 8500 sm²/(V·s) ga erishadi, kremniydan (1500 sm²/(V·s)) ancha oshib ketadi va bu gigagertsli diapazondagi signallarni qayta ishlash uchun optimal qiladi.
Kamchiliklari
lMo'rt substratlar: ishlab chiqarish kremniyga qaraganda qiyinroq; GaAs gofretlari 10 barobar qimmat turadi.
lMahalliy oksid yo'q: kremniyning SiO₂ dan farqli o'laroq, GaAs/InP barqaror oksidlarga ega emas, bu esa yuqori zichlikdagi IC ishlab chiqarishga to'sqinlik qiladi.
Asosiy ilovalar
lRF front-endlari:
Mobil quvvat kuchaytirgichlari (PA), sun'iy yo'ldosh qabul qiluvchilar (masalan, GaAs asosidagi HEMT tranzistorlari).
lOptoelektronika:
Lazerli diodlar (CD/DVD drayvlar), LEDlar (qizil/infraqizil), optik tolali modullar (InP lazerlari).
lKosmik quyosh xujayralari:
GaAs hujayralari 30% samaradorlikka erishadi (kremniy uchun ~ 20% ga nisbatan), sun'iy yo'ldoshlar uchun juda muhimdir.
lTexnologik to'siqlar
Yuqori xarajatlar GaAs/InP-ni yuqori darajadagi ilovalar bilan cheklab qo'yadi va ularni mantiqiy mikrosxemalardagi kremniyning ustunligini o'zgartirishga yo'l qo'ymaydi.
Uchinchi avlod yarimo'tkazgichlari (keng tarmoqli yarimo'tkazgichlar): kremniy karbid (SiC) va galiy nitridi (GaN)
Texnologiya haydovchilar
Energiya inqilobi: Elektr transport vositalari va qayta tiklanadigan energiya tarmoqlari integratsiyasi yanada samarali quvvat qurilmalarini talab qiladi.
Yuqori chastotali ehtiyojlar: 5G aloqa va radar tizimlari yuqori chastotalar va quvvat zichligini talab qiladi.
Ekstremal muhitlar: Aerokosmik va sanoat motorli ilovalar uchun 200 ° C dan yuqori haroratga bardosh bera oladigan materiallar kerak.
Materialning xususiyatlari
Keng diapazonning afzalliklari:
lSiC: 3,26eV tarmoqli oralig'i, parchalanish elektr maydonining kuchlanishi kremniynikidan 10 ×, 10kV dan ortiq kuchlanishlarga bardosh bera oladi.
lGaN: 3,4eV tarmoqli oralig'i, 2200 sm²/(V·s) elektron harakatchanligi, yuqori chastotali ishlashda ajoyib.
Issiqlik boshqaruvi:
SiC ning issiqlik o'tkazuvchanligi 4,9 Vt / (sm · K) ga etadi, bu kremniydan uch baravar yaxshiroq, bu uni yuqori quvvatli ilovalar uchun ideal qiladi.
Moddiy qiyinchiliklar
SiC: Yagona kristallarning sekin o'sishi 2000 ° C dan yuqori haroratni talab qiladi, natijada gofret nuqsonlari va yuqori xarajatlarga olib keladi (6 dyuymli SiC gofreti kremniydan 20 marta qimmatroq).
GaN: Tabiiy substratga ega emas, ko'pincha safir, SiC yoki silikon substratlarda heteroepitaksiyani talab qiladi, bu esa panjara mos kelmasligi bilan bog'liq muammolarga olib keladi.
Asosiy ilovalar
Quvvat elektronikasi:
EV invertorlari (masalan, Tesla Model 3 SiC MOSFET-lardan foydalanadi, samaradorlikni 5-10% ga oshiradi).
Tez zaryadlovchi stansiyalar/adapterlar (GaN qurilmalari hajmi 50% ga qisqargan holda 100W+ tez zaryadlashni taʼminlaydi).
RF qurilmalari:
5G tayanch stantsiya quvvat kuchaytirgichlari (GaN-on-SiC PA mmWave chastotalarini qo'llab-quvvatlaydi).
Harbiy radar (GaN GaAs quvvatining 5 × zichligini taklif qiladi).
Optoelektronika:
UV LEDlar (sterilizatsiya va suv sifatini aniqlashda ishlatiladigan AlGaN materiallari).
Sanoat holati va kelajak istiqbollari
SiC yuqori quvvatli bozorda hukmronlik qiladi, avtomobil modullari allaqachon ommaviy ishlab chiqarilmoqda, ammo xarajatlar to'siq bo'lib qolmoqda.
GaN maishiy elektronika (tezkor zaryadlash) va RF ilovalarida tez kengayib, 8 dyuymli gofretlarga o'tadi.
Galliy oksidi (Ga₂O₃, tarmoqli oralig'i 4,8eV) va olmos (5,5eV) kabi yangi paydo bo'lgan materiallar yarimo'tkazgichlarning "to'rtinchi avlodi" ni yaratishi mumkin va bu kuchlanish chegaralarini 20 kV dan oshib ketadi.
Yarimo'tkazgich avlodlarining birgalikda yashashi va sinergiyasi
O'rnini bosuvchi emas, to'ldiruvchilik:
Kremniy mantiqiy chiplar va maishiy elektronikada dominant bo'lib qolmoqda (jami yarimo'tkazgichlar bozorining 95%).
GaAs va InP yuqori chastotali va optoelektronik bo'shliqlarga ixtisoslashgan.
SiC/GaN energiya va sanoat dasturlarida almashtirib bo'lmaydi.
Texnologiya integratsiyasiga misollar:
GaN-on-Si: Tez zaryadlash va RF ilovalari uchun GaN-ni arzon kremniy substratlar bilan birlashtiradi.
SiC-IGBT gibrid modullari: tarmoqni konvertatsiya qilish samaradorligini oshiring.
Kelajakdagi tendentsiyalar:
Heterojen integratsiya: ishlash va narxni muvozanatlash uchun materiallarni (masalan, Si + GaN) bitta chipda birlashtirish.
Ultra keng diapazonli materiallar (masalan, Ga₂O₃, olmos) ultra yuqori voltli (>20kV) va kvant hisoblash ilovalarini yoqishi mumkin.
Tegishli ishlab chiqarish
GaAs lazer epitaksial gofreti 4 dyuym 6 dyuym
12 dyuymli SIC substrat kremniy karbid asosiy toifali diametri 300 mm katta o'lchamli 4H-N Yuqori quvvatli qurilma issiqlik tarqalishi uchun javob beradi
Xabar vaqti: 2025 yil 07-may