Materiali semiconduttori di prima generazione Seconda generazione Terza generazione

I materiali semiconduttori anu evolutu attraversu trè generazioni trasformative:

A prima generazione (Si/Ge) hà messu e basi di l'elettronica muderna,

A seconda generazione (GaAs/InP) hà rottu e barriere optoelettroniche è d'alta frequenza per alimentà a rivoluzione di l'infurmazione,

A terza generazione (SiC/GaN) affronta avà e sfide energetiche è ambientali estremi, permettendu a neutralità carbonica è l'era 6G.

Questa progressione rivela un cambiamentu di paradigma da a versatilità à a specializazione in a scienza di i materiali.

1. Semiconduttori di prima generazione: siliciu (Si) è germaniu (Ge)

Sfondate storicu

In u 1947, Bell Labs hà inventatu u transistor di germaniu, marcandu l'alba di l'era di i semiconduttori. À partesi da l'anni 1950, u siliciu hà gradualmente rimpiazzatu u germaniu cum'è basa di i circuiti integrati (IC) per via di u so stratu d'ossidu stabile (SiO₂) è di e so abbundanti riserve naturali.

Proprietà di i materiali

ⅠBanda intermedia:

Germaniu: 0,67 eV (bandgap strettu, propensu à currenti di dispersione, scarse prestazioni à alta temperatura).

Siliciu: 1,12 eV (bandgap indirettu, adattatu per i circuiti logichi ma incapace di emissione di luce).

Ⅱ,Vantaghji di u silicone:

Forma naturalmente un ossidu di alta qualità (SiO₂), chì permette a fabricazione di MOSFET.

Costu bassu è abbundante in terra (~ 28% di a cumpusizione crostale).

III,Limitazioni:

Bassa mobilità elettronica (solu 1500 cm²/(V·s)), chì limita e prestazioni à alta frequenza.

Tolleranza debule di tensione/temperatura (temperatura massima di funziunamentu ~150°C).

Applicazioni Chjave

Ⅰ,Circuiti Integrati (CI):

I CPU, i chip di memoria (per esempiu, DRAM, NAND) si basanu nantu à u siliciu per una alta densità d'integrazione.

Esempiu: U 4004 (1971) d'Intel, u primu microprocessore cummerciale, utilizava a tecnulugia di siliciu di 10 μm.

Ⅱ,Dispositivi di putenza:

I primi tiristori è i MOSFET di bassa tensione (per esempiu, l'alimentatori per PC) eranu à basa di siliciu.

Sfide è Obsolescenza

U germaniu hè statu eliminatu gradualmente per via di perdite è instabilità termica. Tuttavia, e limitazioni di u siliciu in l'optoelettronica è l'applicazioni di alta putenza anu stimulatu u sviluppu di semiconduttori di prossima generazione.

Semiconduttori di seconda generazione: Arseniuru di galliu (GaAs) è Fosfuru d'indiu (InP)

Sfondate di Sviluppu

Durante l'anni 1970-1980, i campi emergenti cum'è e cumunicazioni mobili, e rete di fibre ottiche è a tecnulugia satellitare anu creatu una dumanda pressante di materiali optoelettronici d'alta frequenza è efficienti. Questu hà purtatu à l'avanzamentu di semiconduttori à banda proibita diretta cum'è GaAs è InP.

Proprietà di i materiali

Prestazioni di Bandgap è Optoelettroniche:

GaAs: 1,42 eV (bandgap direttu, permette l'emissione di luce - ideale per laser / LED).

InP: 1,34 eV (più adattatu per applicazioni à lunghezza d'onda longa, per esempiu, cumunicazioni in fibra ottica di 1550 nm).

Mobilità Elettronica:

U GaAs righjunghje 8500 cm²/(V·s), superendu di gran lunga u siliciu (1500 cm²/(V·s)), ciò chì u rende ottimale per u trattamentu di u signale in a gamma GHz.

Svantaghji

lSubstrati fragili: Più difficiuli da fabricà chè u siliciu; I wafer di GaAs costanu 10 volte di più.

lNisun ossidu nativu: À u cuntrariu di u SiO₂ di u siliciu, GaAs/InP ùn hà micca ossidi stabili, ciò chì impedisce a fabricazione di circuiti integrati d'alta densità.

Applicazioni Chjave

lFront-end RF:

Amplificatori di putenza mobili (PA), ricetrasmettitori satellitari (per esempiu, transistor HEMT basati in GaAs).

lOptoelettronica:

Diodi laser (lettori CD/DVD), LED (rossi/infrarossi), moduli à fibra ottica (laser InP).

lCelle Solari Spaziali:

E cellule di GaAs righjunghjenu un'efficienza di 30% (vs. ~20% per u siliciu), cruciale per i satelliti. 

lColli di buttiglia tecnologichi

I costi elevati limitanu GaAs/InP à applicazioni di nicchia di fascia alta, impedendu li di spiazzà a duminazione di u siliciu in i chip logichi.

Semiconduttori di terza generazione (semiconduttori à banda larga): carburo di siliciu (SiC) è nitruro di galliu (GaN)

Drivers di tecnulugia

Rivuluzione energetica: I veiculi elettrichi è l'integrazione di a rete di energie rinnuvevuli richiedenu dispositivi di putenza più efficienti.

Bisogni d'alta frequenza: E cumunicazioni 5G è i sistemi radar necessitanu frequenze è densità di putenza più elevate.

Ambienti estremi: L'applicazioni aerospaziali è di motori industriali necessitanu materiali capaci di resiste à temperature superiori à 200 °C.

Caratteristiche di u materiale

Vantaghji di Bandgap Largu:

lSiC: Bandgap di 3,26 eV, intensità di u campu elettricu di rottura 10 volte quella di u siliciu, capace di suppurtà tensioni superiori à 10 kV.

lGaN: Bandgap di 3,4 eV, mobilità elettronica di 2200 cm²/(V·s), eccellendu in prestazioni d'alta frequenza.

Gestione Termica:

A cunduttività termica di u SiC righjunghji 4,9 W/(cm·K), trè volte megliu cà u siliciu, ciò chì u rende ideale per l'applicazioni di alta putenza.

Sfide Materiali

SiC: A crescita lenta di monocristalli richiede temperature superiori à 2000 ° C, ciò chì provoca difetti di wafer è costi elevati (una wafer di SiC di 6 pollici hè 20 volte più cara di u siliciu).

GaN: Manca un substratu naturale, spessu richiede eteroepitaxia nantu à substrati di zaffiro, SiC o siliciu, ciò chì porta à prublemi di mismatch di reticolo.

Applicazioni Chjave

Elettronica di putenza:

Inverter EV (per esempiu, Tesla Model 3 usa MOSFET SiC, migliurendu l'efficienza di 5-10%).

Stazioni/adattatori di carica rapida (i dispositivi GaN permettenu una carica rapida di più di 100 W riducendu a dimensione di u 50%).

Dispositivi RF:

Amplificatori di putenza di stazione base 5G (i PA GaN-on-SiC supportanu frequenze mmWave).

Radar militare (GaN offre 5 volte a densità di putenza di GaAs).

Optoelettronica:

LED UV (materiali AlGaN utilizati in a sterilizazione è a rilevazione di a qualità di l'acqua).

Statu di l'industria è prospettive future

U SiC domina u mercatu di alta putenza, cù moduli di qualità automobilistica digià in pruduzzione di massa, ancu s'è i costi restanu un ostaculu.

U GaN si stà espandendu rapidamente in l'elettronica di cunsumu (carica rapida) è in l'applicazioni RF, passendu à wafer di 8 pollici.

I materiali emergenti cum'è l'ossidu di galliu (Ga₂O₃, bandgap 4.8eV) è u diamante (5.5eV) puderanu furmà una "quarta generazione" di semiconduttori, spinghjendu i limiti di tensione oltre i 20kV.

Coesistenza è Sinergia di e Generazioni di Semiconduttori

Cumplementarità, micca sustituzione:

U siliciu ferma duminante in i chip logichi è l'elettronica di cunsumu (95% di u mercatu mundiale di i semiconduttori).

GaAs è InP si spezializanu in nicchie d'alta frequenza è optoelettroniche.

U SiC/GaN sò insustituibili in l'applicazioni energetiche è industriali.

Esempi d'integrazione tecnologica:

GaN-on-Si: Combina GaN cù substrati di silicone à bassu costu per applicazioni di carica rapida è RF.

Moduli ibridi SiC-IGBT: Migliurà l'efficienza di cunversione di a rete.

Tendenze future:

Integrazione eterogenea: Cumbinazione di materiali (per esempiu, Si + GaN) nantu à un unicu chip per equilibrà e prestazioni è u costu.

I materiali cù banda proibita ultra larga (per esempiu, Ga₂O₃, diamante) ponu permette applicazioni di calculu quanticu è à tensione ultra alta (> 20 kV).

Pruduzzione correlata

Wafer epitaxiale laser GaAs 4 pollici 6 pollici

Substratu SIC di carburo di siliciu di prima qualità di 12 pollici, diametru 300 mm, taglia grande 4H-N, adattatu per a dissipazione di u calore di dispositivi d'alta putenza