Nyenzo za semiconductor zimeibuka kupitia vizazi vitatu vya mabadiliko:
Mwanzo wa 1 (Si/Ge) uliweka msingi wa vifaa vya kisasa vya kielektroniki,
2nd Gen (GaAs/InP) ilivunja vikwazo vya optoelectronic na high-frequency ili kuendesha mapinduzi ya habari,
Kizazi cha 3 (SiC/GaN) sasa kinashughulikia changamoto za nishati na mazingira yaliyokithiri, na hivyo kuwezesha kutoegemea upande wowote kwa kaboni na enzi ya 6G.
Mwendelezo huu unaonyesha mabadiliko ya dhana kutoka kwa matumizi mengi hadi utaalamu katika sayansi ya nyenzo.
1. Semiconductors za Kizazi cha Kwanza: Silicon (Si) na Germanium (Ge)
Usuli wa Kihistoria
Mnamo 1947, Bell Labs iligundua transistor ya germanium, kuashiria mwanzo wa enzi ya semiconductor. Kufikia miaka ya 1950, silicon ilibadilisha hatua kwa hatua germanium kama msingi wa saketi zilizounganishwa (ICs) kutokana na safu yake thabiti ya oksidi (SiO₂) na hifadhi nyingi za asili.
Sifa za Nyenzo
ⅠMgawanyiko wa bendi:
Germanium: 0.67eV (pengo nyembamba, inakabiliwa na kuvuja kwa sasa, utendaji duni wa halijoto ya juu).
Silikoni: 1.12eV (bendi isiyo ya moja kwa moja, inayofaa kwa saketi za mantiki lakini haiwezi kutoa mwangaza).
Ⅱ,Faida za Silicon:
Kwa kawaida huunda oksidi ya ubora wa juu (SiO₂), inayowezesha uundaji wa MOSFET.
Gharama ya chini na wingi wa dunia (~ 28% ya utungaji wa crustal).
Ⅲ,Vizuizi:
Usogeaji wa chini wa elektroni (cm² 1500/(V·s) pekee), unaozuia utendakazi wa masafa ya juu.
Uvumilivu hafifu wa voltage/joto (joto la juu zaidi la kufanya kazi. ~150°C).
Maombi Muhimu
Ⅰ,Mizunguko Iliyounganishwa (ICs):
CPU, chip za kumbukumbu (kwa mfano, DRAM, NAND) zinategemea silikoni kwa msongamano wa juu wa ujumuishaji.
Mfano: Intel's 4004 (1971), microprocessor ya kwanza ya kibiashara, ilitumia teknolojia ya silicon ya 10μm.
Ⅱ,Vifaa vya Nguvu:
Thyristors za awali na MOSFET za chini-voltage (kwa mfano, vifaa vya nguvu vya PC) vilikuwa vya silicon.
Changamoto na Kupitwa na wakati
Ujerumani iliondolewa kwa sababu ya kuvuja na kukosekana kwa utulivu wa joto. Hata hivyo, mapungufu ya silicon katika optoelectronics na matumizi ya nguvu ya juu yalichochea maendeleo ya semiconductors ya gen-gen ijayo.
2 Semiconductors za Kizazi cha Pili: Gallium Arsenide (GaAs) na Indium Phosphide (InP)
Usuli wa Maendeleo
Wakati wa miaka ya 1970-1980, nyanja zinazoibuka kama vile mawasiliano ya simu, mitandao ya nyuzi za macho, na teknolojia ya satelaiti ziliunda hitaji kubwa la masafa ya juu na nyenzo bora za optoelectronic. Hii iliendesha uendelezaji wa viboreshaji vya sehemu za moja kwa moja kama vile GaAs na InP.
Sifa za Nyenzo
Utendaji wa Bandgap na Optoelectronic:
GaAs: 1.42eV (bendi ya moja kwa moja, huwezesha utoaji wa mwanga—inafaa kwa leza/LED).
InP: 1.34eV (inafaa zaidi kwa programu za urefu wa mawimbi, kwa mfano, mawasiliano ya 1550nm fiber-optic).
Uhamaji wa Elektroni:
GaAs inafikia 8500 cm²/(V·s), silicon inayopita mbali (1500 cm²/(V·s)), na kuifanya kuwa bora zaidi kwa usindikaji wa mawimbi ya masafa ya GHz.
Hasara
lVipande vidogo vya brittle: Vigumu kutengeneza kuliko silicon; Kaki za GaAs zinagharimu 10× zaidi.
lHakuna oksidi asili: Tofauti na SiO₂ ya silicon, GaAs/InP haina oksidi dhabiti, hivyo kuzuia uundaji wa IC yenye msongamano mkubwa.
Maombi Muhimu
lRF Front-Ends:
Vikuza nguvu vya rununu (PAs), vipitisha sauti vya setilaiti (kwa mfano, transistors za HEMT za GaAs).
lOptoelectronics:
Diodi za laser (CD/DVD drives), LEDs (nyekundu/infrared), moduli za fiber-optic (laser za InP).
lSeli za Jua za Nafasi:
Seli za GaAs hufikia ufanisi wa 30% (dhidi ya ~ 20% kwa silikoni), muhimu kwa setilaiti.
lVikwazo vya Kiteknolojia
Gharama ya juu hujumuisha GaAs/InP kwa matumizi ya hali ya juu, na kuzizuia zisiondoe utawala wa silikoni katika chip za mantiki.
Semiconductors za Kizazi cha Tatu (Wide-Bandgap Semiconductors): Silicon Carbide (SiC) na Gallium Nitride (GaN)
Madereva ya Teknolojia
Mapinduzi ya Nishati: Magari ya umeme na uunganishaji wa gridi ya nishati mbadala huhitaji vifaa bora zaidi vya nguvu.
Mahitaji ya Masafa ya Juu: Mifumo ya mawasiliano ya 5G na rada inahitaji masafa ya juu na msongamano wa nishati.
Mazingira Yaliyokithiri: Anga na matumizi ya magari ya viwandani yanahitaji nyenzo zenye uwezo wa kuhimili halijoto inayozidi 200°C.
Tabia za Nyenzo
Faida za Bandgap pana:
lSiC: Bandgap ya 3.26eV, nguvu ya shamba ya umeme ya kuvunjika 10 × ile ya silicon, yenye uwezo wa kuhimili voltages zaidi ya 10kV.
lGaN: Mkondo wa 3.4eV, uhamaji wa elektroni wa 2200 cm²/(V·s), ukifanya vyema katika utendakazi wa masafa ya juu.
Usimamizi wa Joto:
Uendeshaji wa joto wa SiC hufikia 4.9 W/(cm·K), mara tatu bora kuliko silicon, na kuifanya kuwa bora kwa matumizi ya nguvu ya juu.
Changamoto za nyenzo
SiC: Ukuaji wa polepole wa kioo kimoja unahitaji halijoto ya zaidi ya 2000°C, na kusababisha kasoro kaki na gharama kubwa (kaki ya SiC ya inchi 6 ni ghali zaidi ya 20× kuliko silikoni).
GaN: Haina substrate asilia, ambayo mara nyingi huhitaji heteroepitaxy kwenye yakuti samawi, SiC, au silicon, na kusababisha matatizo ya kutolingana kwa kimiani.
Maombi Muhimu
Elektroniki:
Inverters za EV (kwa mfano, Tesla Model 3 hutumia SiC MOSFETs, kuboresha ufanisi kwa 5-10%).
Vituo/adapta zinazochaji haraka (vifaa vya GaN huwezesha chaji ya haraka ya 100W+ huku vikipunguza ukubwa kwa 50%).
Vifaa vya RF:
Vikuzaji nguvu vya kituo cha 5G (GaN-on-SiC PAs zinaauni masafa ya mmWave).
Rada ya kijeshi (GaN inatoa 5× uzito wa nguvu wa GaAs).
Optoelectronics:
Taa za UV (nyenzo za AlGaN zinazotumika katika kudhibiti uzazi na kugundua ubora wa maji).
Hali ya Sekta na Mtazamo wa Baadaye
SiC inatawala soko la nguvu za juu, na moduli za daraja la magari tayari katika uzalishaji wa wingi, ingawa gharama zinasalia kuwa kizuizi.
GaN inapanuka kwa kasi katika vifaa vya kielektroniki vya watumiaji (kuchaji haraka) na programu za RF, ikibadilika kuelekea kaki za inchi 8.
Nyenzo zinazochipuka kama vile oksidi ya gallium (Ga₂O₃, bandgap 4.8eV) na almasi (5.5eV) zinaweza kuunda "kizazi cha nne" cha semiconductors, kusukuma vikomo vya voltage zaidi ya 20kV.
Ushirikiano na Harambee ya Vizazi vya Semiconductor
Kukamilishana, Sio Kubadilisha:
Silicon inabakia kutawala katika chip za mantiki na vifaa vya elektroniki vya watumiaji (95% ya soko la kimataifa la semiconductor).
GaAs na InP zinataalam katika niches ya juu-frequency na optoelectronic.
SiC/GaN hazibadiliki katika matumizi ya nishati na viwandani.
Mifano ya Ujumuishaji wa Teknolojia:
GaN-on-Si: Inachanganya GaN na substrates za silicon za gharama nafuu kwa ajili ya kuchaji haraka na programu za RF.
Moduli mseto za SiC-IGBT: Boresha ufanisi wa ubadilishaji wa gridi ya taifa.
Mitindo ya Baadaye:
Muunganisho wa hali tofauti: Kuchanganya nyenzo (kwa mfano, Si + GaN) kwenye chip moja ili kusawazisha utendakazi na gharama.
Nyenzo za mkanda mpana zaidi (km, Ga₂O₃, almasi) zinaweza kuwezesha matumizi ya kompyuta ya kiwango cha juu (>20kV) na quantum.
Uzalishaji unaohusiana
GaAs laser epitaxial kaki inchi 4 inchi 6
12 inch SIC substrate silicon CARBIDE kipenyo cha daraja kuu 300mm saizi kubwa 4H-N Inafaa kwa utaftaji wa joto wa kifaa chenye nguvu nyingi
Muda wa kutuma: Mei-07-2025