Materyèl semi-kondiktè yo te evolye atravè twa jenerasyon transfòmasyon:
Premye jenerasyon an (Si/Ge) te poze fondasyon elektwonik modèn yo.
2yèm Jenerasyon an (GaAs/InP) te kraze baryè optoelektwonik ak wo frekans pou bay revolisyon enfòmasyon an pouvwa.
3yèm jenerasyon an (SiC/GaN) kounye a abòde defi enèji ak anviwònman ekstrèm, sa ki pèmèt netralite kabòn ak epòk 6G a.
Pwogresyon sa a revele yon chanjman paradigme soti nan adaptabilite pou rive nan espesyalizasyon nan syans materyèl.
1. Semi-kondiktè Premye Jenerasyon: Silisyòm (Si) ak Germanium (Ge)
Kontèks istorik
An 1947, Bell Labs te envante tranzistò jèmanyòm nan, sa ki te make kòmansman epòk semi-kondiktè a. Nan ane 1950 yo, Silisyòm te piti piti ranplase jèmanyòm kòm fondasyon sikui entegre (IC) yo akòz kouch oksid ki estab li (SiO₂) ak rezèv natirèl abondan li yo.
Pwopriyete Materyèl
ⅠEspas bann:
Jèmanyòm: 0.67eV (bandgap etwat, tandans pou flit kouran, pèfòmans pòv nan tanperati ki wo).
Silisyòm: 1.12eV (bann-gap endirèk, apwopriye pou sikui lojik men ki pa kapab emèt limyè).
Ⅱ,Avantaj Silisyòm:
Natirèlman fòme yon oksid kalite siperyè (SiO₂), sa ki pèmèt fabrikasyon MOSFET.
Pri ki ba epi abondan sou tè a (~28% nan konpozisyon kwout tè a).
twazyèm,Limitasyon:
Mobilite elektwon ki ba (sèlman 1500 cm²/(V·s)), sa ki limite pèfòmans nan gwo frekans.
Tolerans vòltaj/tanperati fèb (tanperati fonksyònman maksimòm ~150°C).
Aplikasyon kle yo
Ⅰ,Sikwi Entegre (IC):
CPU yo, chip memwa yo (pa egzanp, DRAM, NAND) konte sou silikon pou yon dansite entegrasyon ki wo.
Egzanp: 4004 Intel la (1971), premye mikwoprosesè komèsyal la, te itilize teknoloji silikon 10μm.
Ⅱ,Aparèy pouvwa:
Premye tiristò yo ak MOSFET ba-vòltaj yo (pa egzanp, ekipman pouvwa PC) te baze sou Silisyòm.
Defi ak Obsolesans
Yo te elimine Germanium piti piti akòz flit ak enstabilite tèmik. Sepandan, limitasyon Silisyòm nan optoelektwonik ak aplikasyon pou gwo puisans te pouse devlopman semi-kondiktè pwochen jenerasyon an.
2 Semi-kondiktè Dezyèm Jenerasyon: Galyòm Arseniur (GaAs) ak Endyòm Fosfid (InP)
Devlopman Kontèks
Pandan ane 1970 yo rive 1980 yo, domèn émergentes tankou kominikasyon mobil, rezo fib optik, ak teknoloji satelit te kreye yon demann ijan pou materyèl optoelektwonik ki gen gwo frekans epi ki efikas. Sa te pouse avansman semi-kondiktè ki gen espas ant bann dirèk tankou GaAs ak InP.
Pwopriyete Materyèl
Pèfòmans Bandgap ak Optoelektwonik:
GaAs: 1.42eV (espas bann dirèk, pèmèt emisyon limyè—ideyal pou lazè/LED).
InP: 1.34eV (pi byen adapte pou aplikasyon longèdonn long, pa egzanp, kominikasyon fib optik 1550nm).
Mobilite Elektwon:
GaAs rive nan 8500 cm²/(V·s), byen lwen depase Silisyòm (1500 cm²/(V·s)), sa ki fè li optimal pou tretman siyal nan ranje GHz.
Dezavantaj
lSubstra frajil: Pi difisil pou fabrike pase silikon; GaAs wafer yo koute 10 fwa plis.
lPa gen oksid natif natal: Kontrèman ak SiO₂ Silisyòm nan, GaAs/InP pa gen oksid ki estab, sa ki anpeche fabrikasyon IC dansite segondè.
Aplikasyon kle yo
lRF Front-Ends:
Anplifikatè pouvwa mobil (PA), transceiver satelit (pa egzanp, tranzistò HEMT ki baze sou GaAs).
lOptoelektwonik:
Dyòd lazè (lektè CD/DVD), LED (wouj/enfrawouj), modil fib optik (lazè InP).
lSelil Solè Espasyal:
Selil GaAs yo rive nan yon efikasite 30% (kont ~20% pou silikon), sa ki enpòtan anpil pou satelit yo.
lAnbouteyaj Teknolojik
Pri ki wo yo limite GaAs/InP a aplikasyon espesifik nan domèn wo nivo, sa ki anpeche yo ranplase dominasyon Silisyòm nan chip lojik yo.
Semi-kondiktè Twazyèm Jenerasyon (Semi-kondiktè Wide-Bandgap): Silisyòm Carbide (SiC) ak Galyòm Nitride (GaN)
Chofè Teknoloji
Revolisyon Enèji: Machin elektrik ak entegrasyon rezo enèji renouvlab mande pou aparèy pouvwa ki pi efikas.
Bezwen Frekans Segondè: Sistèm kominikasyon 5G ak rada yo mande pi gwo frekans ak dansite puisans.
Anviwònman Ekstrèm: Aplikasyon ayewospasyal ak motè endistriyèl bezwen materyèl ki kapab reziste tanperati ki depase 200 °C.
Karakteristik Materyèl
Avantaj Bandgap Laj:
lSiC: Espas bann 3.26eV, fòs chan elektrik pann 10 fwa sa Silisyòm nan, kapab reziste vòltaj plis pase 10kV.
lGaN: Espas bann 3.4eV, mobilite elektwon 2200 cm²/(V·s), ekselan nan pèfòmans frekans segondè.
Jesyon tèmik:
Konduktivite tèmik SiC a rive nan 4.9 W/(cm·K), twa fwa pi bon pase Silisyòm, sa ki fè li ideyal pou aplikasyon ki gen gwo puisans.
Defi Materyèl
SiC: Kwasans ralanti yon sèl kristal mande tanperati ki pi wo pase 2000 °C, sa ki lakòz domaj sou wafer yo ak gwo pri (yon wafer SiC 6 pous 20 fwa pi chè pase silikon).
GaN: Li pa gen yon substrat natirèl, souvan li mande eteroepitaksi sou substrat safi, SiC, oswa silikon, sa ki lakòz pwoblèm move matche rezo.
Aplikasyon kle yo
Elektwonik pouvwa:
Envèstisè EV yo (pa egzanp, Tesla Model 3 itilize SiC MOSFETs, amelyore efikasite pa 5-10%).
Estasyon/adaptè chaj rapid (aparèy GaN yo pèmèt chaj rapid 100W+ pandan y ap diminye gwosè a pa 50%).
Aparèy RF:
Anplifikatè pouvwa estasyon baz 5G (GaN-on-SiC PA sipòte frekans mmWave).
Radar militè (GaN ofri 5 fwa dansite puisans GaAs).
Optoelektwonik:
LED UV (materyèl AlGaN yo itilize nan esterilizasyon ak deteksyon kalite dlo).
Sitiyasyon Endistri a ak Pèspektiv pou lavni
SiC domine mache gwo puisans lan, ak modil klas otomobil ki deja an pwodiksyon an mas, byenke pri yo rete yon baryè.
GaN ap agrandi rapidman nan elektwonik konsomatè (chaje rapid) ak aplikasyon RF, k ap fè tranzisyon an vè waf 8 pous.
Materyèl émergentes tankou oksid galyòm (Ga₂O₃, espas bann 4.8eV) ak dyaman (5.5eV) ka fòme yon "katriyèm jenerasyon" semi-kondiktè, pouse limit vòltaj yo pi lwen pase 20kV.
Koeksistans ak Sinerji Jenerasyon Semikondiktè yo
Konplemantarite, Pa Ranplasman:
Silisyòm rete dominan nan chip lojik ak elektwonik konsomatè (95% nan mache mondyal semi-kondiktè).
GaAs ak InP espesyalize nan nich wo frekans ak optoelektwonik.
SiC/GaN yo endispansab nan aplikasyon enèji ak endistriyèl.
Egzanp Entegrasyon Teknoloji:
GaN-on-Si: Konbine GaN ak substrats silikon ki pa koute chè pou chaje rapid ak aplikasyon RF.
Modil ibrid SiC-IGBT: Amelyore efikasite konvèsyon griy la.
Tandans nan lavni:
Entegrasyon eterogèn: Konbine materyèl (pa egzanp, Si + GaN) sou yon sèl chip pou balanse pèfòmans ak pri.
Materyèl ki gen espas bann ultra laj (pa egzanp, Ga₂O₃, dyaman) ka pèmèt aplikasyon pou vòltaj ultra wo (>20kV) ak informatique kwantik.
Pwodiksyon ki gen rapò
Wafer epitaxial lazè GaAs 4 pous 6 pous
12 pous substrat SIC Silisyòm carbure premye klas dyamèt 300mm gwo gwosè 4H-N Apwopriye pou disipasyon chalè aparèy gwo pouvwa
Dat piblikasyon: 7 me 2025