Beşinci nesil yarı iletken malzemelerinin tahminleri ve zorlukları

Yarım iletkenler bilgi çağının temel taşıdır ve yarım iletken malzemelerinin tekrarlanması insan teknolojisinin ilerlemesinin sınırlarını doğrudan tanımlar.Birinci nesil silikon tabanlı yarı iletkenlerden bugünün dördüncü nesil ultra geniş bant aralığı malzemelerine, her yenilik dalgası iletişim, enerji, bilgisayar ve diğer alanlardaki gelişmeleri hızlandırdı.

Dört nesil yarı iletken malzemelerinin özelliklerini ve nesil değiştirme mantığını analiz ederek,Beşinci nesil yarı iletkenler için olası yönleri ortaya çıkarabilir ve Çin'in bu alanda atılım yolunu tartışabiliriz..

I. Dört nesil yarı iletken malzemelerinin özellikleri ve nesil değiştirme mantığı

İlk nesil yarı iletkenler:

Silikon ve Germaniyum'un "Tasarım Çağı"

• Özellikleri:Silikon (Si) ve germanyum (Ge) gibi elemental yarı iletkenler tarafından temsil edilen, düşük maliyet, olgun işleme ve yüksek güvenilirlik gibi avantajlar sunar.nispeten dar bant boşlukları (Si: 1.12 eV, Ge: 0.67 eV), düşük gerilim direnci ve yetersiz yüksek frekans performansı ile sonuçlanır.

• Uygulamalar:Entegre devreler, güneş hücreleri, düşük voltajlı ve düşük frekanslı cihazlar.

• Değiştirme nedeni:İletişim ve optoelektroniklerde yüksek frekanslı ve yüksek sıcaklık performansı talebi arttıkça, silikon bazlı malzemeler artık gereksinimleri karşılayamadı.

İkinci nesil yarı iletkenler:

Bileşik Yarım iletkenlerin "Optoelektronik Devrimi"

• Özellikleri:Galyum arsenür (GaAs) veindiyum fosfit (InP), bu malzemeler daha geniş bant boşluklarına (GaAs: 1.42 eV) ve yüksek elektron hareketliliğine sahiptir, bu da onları yüksek frekanslı ve optoelektronik uygulamalar için uygundur.

• Uygulamalar:5G RF cihazları, lazerler, uydu iletişimleri.

• Zorluklar:Malzemelerin kıtlığı (örneğin, indiyum bolluğu sadece% 0.001'dir) ve toksik elementlerin (arsenik gibi) dahil olduğu yüksek üretim maliyetleri.

• Değiştirme nedeni:Yeni enerji ve yüksek voltajlı güç ekipmanlarının ortaya çıkması, daha yüksek voltaj direnci ve verimliliğini talep etti ve bu da geniş bant aralığı malzemelerinin yükselişine neden oldu.

Üçüncü nesil yarı iletkenler:

Geniş Bandgap Malzemelerinin "Enerji Devrimi"

• Özellikleri:Silikon karbür (SiC) ve galiyum nitrit (GaN) etrafında merkezlenen bu malzemeler, önemli ölçüde daha geniş bant boşlukları (SiC: 3.2 eV, GaN: 3.4 eV), yüksek parçalanma elektrik alanları,Yüksek ısı iletkenliği, ve üstün yüksek frekanslı performans.

• Uygulamalar:Yeni enerji araçlarındaki elektrikli tahrik sistemleri, fotovoltaik invertörler, 5G baz istasyonları.

• Avantajları:Silikon bazlı cihazlarla karşılaştırıldığında, enerji tüketimini %50'den fazla azaltır ve cihaz hacmini %70'e küçültürler.

• Değiştirme nedeni:Yapay zeka ve kuantum bilişim gibi gelişen alanlar, daha yüksek performanslı malzemeler talep etti ve bu da ultra geniş bant boşluğu malzemelerinin ortaya çıkmasına yol açtı.

Dördüncü nesil yarı iletkenler:

Ultra Geniş Bant Arası Malzemelerinin "Sıradan Bir İlerleme"si

• Özellikleri:Temsilci:(Ga2O3) ve elmas (C), bu malzemeler bant boşluğunu daha da genişletir (Ga2O3: 4.8 eV), ultra düşük iletkenlik direnci, ultra yüksek voltaj direnci ve önemli maliyet azaltma potansiyeli sunar.
   

• Uygulamalar:Ultra yüksek voltajlı güç çipleri, derin UV dedektörleri, kuantum iletişim cihazları.
   

• Yenilikler:Gallium oksit cihazları, SiC cihazlarına kıyasla verimliliği üç katına çıkarak 8000V'den fazla gerilimi dayatabilir.
   

• Değiştirme mantığı:Bilgisayar gücü ve enerji verimliliği için küresel talepler fiziksel sınırlara yaklaştıkça, yeni malzemeler kuantum ölçeğinde performans sıçramasına ulaşmalıdır.
   

II. Beşinci nesil yarı iletkenler için eğilimler:

Kuantum Malzemelerinin ve İki Boyutlu Yapıların "Geleceğin Planı"
 

"Bandgap genişletme + fonksiyonel entegrasyon" evrimsel yolu devam ederse, beşinci nesil yarı iletkenler aşağıdaki yönlere odaklanabilir: