Materyalên nîvconductor bi sê nifşên veguherîner pêş ketine:
Nifşa 1emîn (Si/Ge) bingeha elektronîka nûjen danî,
Nifşa 2-an (GaAs/InP) ji bo hêzkirina şoreşa agahdariyê astengên optoelektronîk û frekans bilind şikand,
Nifşa 3yemîn (SiC/GaN) niha bi pirsgirêkên enerjî û jîngeha ekstrem re mijûl dibe, bêalîbûna karbonê û serdema 6G pêk tîne.
Ev pêşketin veguherînek paradîgmayê ji piralîbûnê ber bi pisporbûnê di zanista materyalan de nîşan dide.
1. Nîvconductorên Nifşê Yekem: Silîkon (Si) û Germanyum (Ge)
Paşxaneya Dîrokî
Di sala 1947an de, Bell Labs transîstora germanyûmê îcad kir, ku ev yek destpêka serdema nîvconductoran nîşan da. Heta salên 1950an, ji ber qata oksîdê ya stabîl (SiO₂) û rezervên xwezayî yên zêde, silîkonê hêdî hêdî cihê germanyûmê wekî bingeha devreyên yekbûyî (IC) girt.
Taybetmendiyên Materyalê
ⅠBandgap:
Germanyum: 0.67eV (bandgabahiya teng, meyla herikîna rijandinê, performansa xirab a germahiya bilind).
Silîkon: 1.12eV (bandgabahiya nerasterast, ji bo devreyên mantiqî minasib e lê nikare ronahiyê derxe).
Ⅱ、Avantajên silîkonê:
Bi xwezayî oksîdeke bi kalîte bilind (SiO₂) çêdike, ku dihêle ku MOSFET were çêkirin.
Bihayê kêm û pir li ser erdê ye (~%28 ji pêkhateya qalikê).
Ⅲ,Sînorkirin:
Tevgera elektronan kêm e (tenê 1500 cm²/(V·s)), ku performansa frekanseke bilind sînordar dike.
Toleransa voltaja/germahiya qels (germahiya xebitandinê ya herî zêde ~150°C).
Serlêdanên Sereke
Ⅰ,Çerxên Entegrekirî (IC):
CPU, çîpên bîranînê (mînak, DRAM, NAND) ji bo densiteya entegrasyonê ya bilind xwe dispêrin silîkonê.
Mînak: 4004 ya Intel (1971), mîkroprosesorê yekem ê bazirganî, teknolojiya silîkonê ya 10μm bi kar anî.
Ⅱ、Amûrên Hêzê:
Tîristorên destpêkê û MOSFET-ên voltaja nizm (mînak, dabînkerên hêza PC-yê) li ser bingeha silîkonê bûn.
Zehmetî û Kevnbûn
Ji ber rijandin û bêîstîqrariya germî, germaniyûm ji holê rabû. Lêbelê, sînorkirinên silîkonê di optoelektronîk û sepanên hêza bilind de pêşveçûna nîvconductorên nifşê pêşerojê teşwîq kir.
2Nîvconductorên Nifşa Duyem: Gallyum Arsenide (GaAs) û Indium Phosphide (InP)
Paşxaneya Pêşveçûnê
Di navbera salên 1970 û 1980an de, warên nû yên wekî ragihandina mobîl, torên fîbera optîkî û teknolojiya satelîtê daxwazek girîng ji bo materyalên optoelektronîkî yên frekanseke bilind û bikêrhatî çêkirin. Ev yek bû sedema pêşveçûna nîvconductorên rasterast ên bandgap ên wekî GaAs û InP.
Taybetmendiyên Materyalê
Bandgap û Performansa Optoelektronîkî:
GaAs: 1.42eV (bandgabahiya rasterast, weşana ronahiyê gengaz dike - îdeal ji bo lazer/LED).
InP: 1.34eV (ji bo sepanên dirêj-pêla guncawtir e, mînakî, ragihandina fîber-optîk a 1550nm).
Tevgera Elektronê:
GaAs digihêje 8500 cm²/(V·s), ku ji silîkonê (1500 cm²/(V·s)) pir çêtir e, û ji bo pêvajoya sînyala di rêza GHz de çêtirîn e.
Dezawantajên
lSubstratên şikestî: Çêkirina wan ji silîkonê dijwartir e; bihayê waflên GaAs 10 caran bihatir e.
lOksîda xwemalî tune: Berevajî SiO₂ ya silîkonê, GaAs/InP oksîdên sabît nînin, ku çêkirina IC-ya densiteya bilind asteng dike.
Serlêdanên Sereke
lPêşiyên RF:
Amplifikatorên hêzê yên mobîl (PA), wergirên satelîtê (mînak, tranzîstorên HEMT yên li ser bingeha GaAs).
lOptoelektronîk:
Dîodên lazerê (ajokerên CD/DVD), LED (sor/înfrared), modulên fîber-optîk (lazerên InP).
lPîlên Rojê yên Fezayê:
Pîlanên GaAs digihîjin %30 karîgeriyê (li hemberî ~%20 ji bo silîkonê), ku ji bo peykan pir girîng e.
lAstengiyên Teknolojîk
Mesrefên bilind GaAs/InP-ê bi serîlêdanên asta bilind ve sînordar dikin, û nahêlin ku ew serdestiya silîkonê di çîpên mentiqî de bişkînin.
Nîvconductorên Nifşa Sêyem (Nîvconductorên bi Banda Fireh): Sîlîkon Karbîd (SiC) û Gallyûm Nîtrîd (GaN)
Ajokarên Teknolojiyê
Şoreşa Enerjiyê: Wesayîtên elektrîkê û entegrasyona tora enerjiya nûjenkirî amûrên hêzê yên bikêrtir hewce dikin.
Pêdiviyên Frekansên Bilind: Sîstemên radar û ragihandinê yên 5G frekansên bilindtir û dendika hêzê hewce dikin.
Jîngehên Zêde: Serlêdanên motorên hewavanî û pîşesaziyê hewceyê materyalên ku dikarin li hember germahiyên ji 200°C zêdetir bisekinin hene.
Taybetmendiyên Materyal
Avantajên Bandgapê Wide:
lSiC: Bandgap 3.26eV, hêza qada elektrîkê ya şikestinê 10 carî ji ya silîkonê mezintir e, dikare li hember voltaja li ser 10kV bisekine.
lGaN: Bandgap 3.4eV, tevgera elektronan 2200 cm²/(V·s), di performansa frekanseke bilind de serketî ye.
Rêveberiya Germahî:
Germahiya SiC digihêje 4.9 W/(cm·K), sê caran ji silîkonê çêtir e, ji ber vê yekê ew ji bo sepanên bi hêza bilind îdeal e.
Pirsgirêkên Materyal
SiC: Mezinbûna hêdî ya krîstala yekane germahiyên li jor 2000°C hewce dike, ku di encamê de kêmasiyên waferê û lêçûnên bilind çêdibin (waferek SiC ya 6 înç 20 carî ji silîkonê bihatir e).
GaN: Substratek xwezayî tune ye, pir caran li ser substratên safîr, SiC, an silîkonê heteroepîtaksî hewce dike, ku dibe sedema pirsgirêkên nelihevhatina latîsê.
Serlêdanên Sereke
Elektronîkên Hêzê:
Veguherkerên EV (mînak, Tesla Model 3 MOSFET-ên SiC bikar tîne, ku karîgeriyê bi rêjeya 5-10% baştir dike).
Îstasyonên/adaptorên şarjkirina bilez (cîhazên GaN şarjkirina bilez a 100W+ çalak dikin di heman demê de mezinahî bi rêjeya %50 kêm dikin.)
Amûrên RF:
Amplifikatorên hêzê yên stasyona bingehîn a 5G (PA-yên GaN-li-SiC frekansên mmWave piştgirî dikin).
Radara leşkerî (GaN 5 caran dendika hêzê ya GaAs pêşkêş dike).
Optoelektronîk:
LEDên UV (materyalên AlGaN yên ku di sterîlîzasyon û tespîtkirina kalîteya avê de têne bikar anîn).
Rewşa Pîşesaziyê û Perspektîfa Pêşerojê
SiC li bazara hêza bilind serdest e, modulên pola otomobîlan jixwe di hilberîna girseyî de ne, her çend lêçûn hîn jî astengiyek e.
GaN di elektronîkên xerîdar (şarjkirina bilez) û sepanên RF de bi lez berfireh dibe, û ber bi waferên 8 înç ve diçe.
Materyalên nû yên wekî oksîda galyûmê (Ga₂O₃, navbera bendê 4.8eV) û elmas (5.5eV) dikarin "nifşê çaremîn" ê nîvconductoran pêk bînin, û sînorên voltaja wê ji 20kV derbas bikin.
Hevjiyan û Sinerjiya Nifşên Nîvconductor
Temamkerî, ne cîgir:
Silîkon di çîpên mentiqî û elektronîkên xerîdar de serdest dimîne (95% ji bazara nîvconductor a cîhanî).
GaAs û InP di warên frekans-bilind û optoelektronîkî de pispor in.
SiC/GaN di sepanên enerjî û pîşesaziyê de bêguherîn in.
Nimûneyên Entegrasyona Teknolojiyê:
GaN-li-Si: GaN bi substratên silîkonî yên erzan re ji bo sepanên barkirina bilez û RF-ê dike yek.
Modulên hîbrîd ên SiC-IGBT: Karîgeriya veguherîna torê baştir bikin.
Trendên Pêşerojê:
Entegrasyona nehevseng: Têkelkirina materyalan (mînak, Si + GaN) li ser çîpek yekane ji bo hevsengkirina performans û lêçûnê.
Materyalên pir-fireh ên valahiya bendê (mînak, Ga₂O₃, elmas) dikarin serîlêdanên voltaja pir-bilind (>20kV) û hesabkirina kûantûmê gengaz bikin.
Hilberîna têkildar
Wafla epitaksiyal a lazerê GaAs 4 înç 6 înç
Bingeha SIC ya 12 înç bi silicon carbide pola sereke, diameter 300 mm mezinahiya mezin 4H-N Ji bo belavkirina germahiya cîhaza hêza bilind guncaw e
Dema şandinê: Gulan-07-2025