Маводҳои нимноқилҳо тавассути се насли тағирёбанда инкишоф меёбанд:
Насли 1 (Si/Ge) асоси электроникаи муосирро гузошт,
Насли 2 (GaAs/InP) монеаҳои оптоэлектроникӣ ва басомади баландро барои қувват бахшидан ба инқилоби иттилоотӣ шикаст дод,
Насли 3-юм (SiC/GaN) ҳоло мушкилоти энергетикӣ ва муҳити атрофро ҳал карда, ба бетарафии карбон ва давраи 6G имкон медиҳад.
Ин пешравӣ тағирёбии парадигмаро аз бисёрҷониба ба ихтисос дар илми моддӣ нишон медиҳад.
1. Нимноқилҳои насли аввал: кремний (Si) ва германия (Ge)
Заминаи таърихӣ
Дар соли 1947, Bell Labs транзистори германийро ихтироъ кард, ки оғози давраи нимноқилҳоро нишон дод. Дар солҳои 1950-ум, кремний аз сабаби қабати устувори оксидиаш (SiO₂) ва захираҳои фаровони табиӣ тадриҷан германийро ҳамчун асоси микросхемаҳои интегралӣ (IC) иваз кард.
Хусусиятҳои моддӣ
ⅠБандгап:
Германий: 0,67eV (фосилаи танг, моил ба ихроҷи ҷараён, иҷрои пасти ҳарорати баланд).
Силикон: 1.12eV (фосилаи ғайримустақим, барои схемаҳои мантиқӣ мувофиқ аст, аммо ба партоби нур қодир нест).
Ⅱ,Афзалиятҳои кремний:
Табиист, ки оксиди баландсифатро (SiO₂) ташкил медиҳад, ки имкон медиҳад MOSFET истеҳсол карда шавад.
Арзиши паст ва фаровони замин (~28% таркиби ќишр).
Ⅲ,Маҳдудиятҳо:
Ҳаракати электронии паст (танҳо 1500 см²/(V·s)), маҳдуд кардани иҷрои басомадҳои баланд.
Таҳаммулпазирии шиддати заиф/ҳарорат (ҳарорати ҳадди аксар ~150°C).
Барномаҳои асосӣ
Ⅰ、Схемаҳои интегралӣ (IC):
CPUҳо, микросхемаҳои хотира (масалан, DRAM, NAND) барои зичии баланди ҳамгироӣ ба кремний такя мекунанд.
Мисол: Intel 4004 (1971), аввалин микропросессори тиҷорӣ, технологияи кремнийи 10μm-ро истифода бурд.
Ⅱ,Дастгоҳҳои барқ:
Тиристорҳои барвақт ва MOSFET-ҳои пастшиддат (масалан, таъминоти барқии компютер) ба кремний асос ёфта буданд.
Мушкилот ва кӯҳнашавӣ
Германий аз сабаби ихроҷ ва ноустувории гармӣ тадриҷан хориҷ карда шуд. Аммо, маҳдудиятҳои кремний дар оптоэлектроника ва барномаҳои пуриқтидор ба рушди нимноқилҳои насли оянда мусоидат карданд.
2Нимноқилҳои насли дуюм: арсениди галлий (GaAs) ва фосфиди индиӣ (InP)
Заминаи рушд
Дар давоми солҳои 1970-1980, соҳаҳои ба вуҷуд омада, ба монанди алоқаи мобилӣ, шабакаҳои нахи оптикӣ ва технологияи моҳвораӣ талаботро ба маводи оптоэлектроникии баландбасомад ва самаранок ба вуҷуд оварданд. Ин ба пешравии нимноқилҳои мустақим ба монанди GaAs ва InP оварда расонд.
Хусусиятҳои моддӣ
Бандгап ва иҷрои оптоэлектронӣ:
GaAs: 1.42eV (фосилаи мустақим, имкон медиҳад, ки партови рӯшноӣ - барои лазерҳо / LEDҳо беҳтарин).
InP: 1.34eV (барои барномаҳои дарозмавҷ беҳтар мувофиқ аст, масалан, алоқаи нахи оптикии 1550нм).
Ҳаракати электронӣ:
GaAs ба 8500 см²/(V·s) мерасад, ки аз кремний (1500 см²/(V·с)) хеле зиёд аст ва онро барои коркарди сигнали диапазони ГГц оптимал мегардонад.
Камбудиҳо
лСубстратҳои шикаста: Истеҳсоли он нисбат ба кремний душвортар аст; Вафли GaAs 10 маротиба гаронтар аст.
лОксиди ватанӣ нест: Баръакси SiO₂ кремний, GaAs/InP оксидҳои устувор надоранд, ки ба истеҳсоли IC-и зичии баланд монеъ мешаванд.
Барномаҳои асосӣ
лRF Front-Ends:
Қуттиҳои барқии мобилӣ (PA), интиқолдиҳандаҳои моҳвораӣ (масалан, транзисторҳои HEMT дар асоси GaAs).
лОптоэлектроника:
Диодҳои лазерӣ (дискҳои CD/DVD), LEDҳо (сурх/инфрасурх), модулҳои нахи оптикӣ (лазерҳои InP).
лҲуҷайраҳои офтобии кайҳонӣ:
Ҳуҷайраҳои GaAs ба 30% самаранокӣ ноил мешаванд (дар муқоиса бо ~20% барои кремний), ки барои моҳвораҳо муҳим аст.
лМушкилоти технологӣ
Хароҷоти баланд GaAs/InP-ро бо барномаҳои баландсифат маҳдуд мекунад ва ба онҳо имкон намедиҳад, ки бартарияти кремнийро дар микросхемаҳои мантиқӣ иваз кунанд.
Нимноқилҳои насли сеюм (нимноқилҳои васеъ): карбиди кремний (SiC) ва нитриди галлий (GaN)
Ронандагони технология
Инқилоби энергетикӣ: Мошинҳои барқӣ ва ҳамгироии шабакаҳои энергияи барқароршаванда дастгоҳҳои самараноки барқро талаб мекунанд.
Эҳтиёҷоти басомади баланд: Алоқаи 5G ва системаҳои радарӣ басомадҳои баландтар ва зичии нерӯро талаб мекунанд.
Муҳити шадид: Барномаҳои муҳаррики кайҳонӣ ва саноатӣ ба маводҳое ниёз доранд, ки ба ҳарорати аз 200 ° C тобоваранд.
Хусусиятҳои моддӣ
Афзалиятҳои фарохмаҷрои васеъ:
лSiC: Банди 3,26eV, шиддати майдони электрикии тақсимшавӣ 10 × аз кремний, ки қодир ба шиддати беш аз 10 кВ тобовар аст.
лGaN: Банди 3.4eV, ҳаракати электронии 2200 см²/(V·s), аъло дар иҷрои басомадҳои баланд.
Идоракунии гармидиҳӣ:
Кобилияти гармидиҳии SiC ба 4,9 Вт/(см·К) мерасад, ки ин нисбат ба кремний се маротиба беҳтар аст ва онро барои барномаҳои пуриқтидор беҳтарин месозад.
Мушкилоти моддӣ
SiC: Рушди сусти монокристалл ҳарорати аз 2000°C болоро талаб мекунад, ки боиси норасоиҳои вафли ва хароҷоти баланд мегардад (вафли 6-дюймаи SiC нисбат ба кремний 20 маротиба гаронтар аст).
GaN: Субстрати табиӣ намерасад, ки аксар вақт гетероепитаксияро дар сапфир, SiC ё субстратҳои кремний талаб мекунад, ки ба мушкилоти номувофиқии торҳо оварда мерасонад.
Барномаҳои асосӣ
Электроникаи барқ:
Инвертерҳои EV (масалан, Tesla Model 3 SiC MOSFET-ро истифода мебарад, ки самаранокиро 5-10% беҳтар мекунад).
Истгоҳҳо/адаптерҳои пуркунандаи зуд (дастгоҳҳои GaN имкон медиҳанд, ки 100 Вт+ пуркунии зудро дар ҳоле ки андозаи 50% кам мекунанд).
Дастгоҳҳои RF:
5G щуввазиёдкунии нерӯи пойгоҳи пойгоҳи (GaN-on-SiC PA басомадҳои mmWave -ро дастгирӣ мекунад).
Радари ҳарбӣ (GaN 5 × зичии қувваи GaAs-ро пешниҳод мекунад).
Оптоэлектроника:
LED-ҳои ултрабунафш (маводҳои AlGaN, ки дар стерилизатсия ва муайян кардани сифати об истифода мешаванд).
Вазъи саноат ва дурнамои оянда
SiC дар бозори пурқувват бартарӣ дорад ва модулҳои дараҷаи автомобилӣ аллакай дар истеҳсоли оммавӣ мебошанд, гарчанде ки хароҷот монеа боқӣ мемонад.
GaN дар электроникаи маишӣ (пуркунандаи зуд) ва замимаҳои RF босуръат густариш ёфта, ба вафли 8 дюймӣ мегузарад.
Маводҳои пайдошаванда ба монанди оксиди галлий (Ga₂O₃, банд 4,8eV) ва алмос (5,5eV) метавонанд “насли чоруми” нимноқилҳоро ташкил дода, маҳдудиятҳои шиддатро аз 20 кВ зиёд кунанд.
Ҳамзистӣ ва синергетикаи наслҳои нимноқилҳо
Мукаммалкунанда, на ивазкунанда:
Силикон дар микросхемаҳои мантиқӣ ва электроникаи маишӣ бартарӣ дорад (95% бозори ҷаҳонии нимноқилҳо).
GaAs ва InP ба чароғҳои басомади баланд ва оптоэлектронӣ тахассус доранд.
SiC/GaN дар барномаҳои энергетикӣ ва саноатӣ ивазнашавандаанд.
Намунаҳои интегратсияи технологӣ:
GaN-on-Si: GaN-ро бо субстратҳои кремнийи арзон барои пуркунии зуд ва барномаҳои RF муттаҳид мекунад.
Модулҳои гибридии SiC-IGBT: Беҳтар кардани самаранокии табдилдиҳии шабака.
Тамоюлҳои оянда:
Интегратсияи гетерогенӣ: Омезиши маводҳо (масалан, Si + GaN) дар як чипи ягона барои мувозинати кор ва арзиш.
Маводҳои фарогирии ултра-васеъ (масалан, Ga₂O₃, алмос) метавонанд барномаҳои ултра-баландшиддат (>20кВ) ва компютерҳои квантиро фаъол созанд.
Истеҳсоли марбут
Вафли лазерии эпитаксиалии GaAs 4 дюйм 6 дюйм
Диаметри 12 дюймаи SIC субстрати кремний карбиди дараҷаи аввал 300мм андозаи калон 4H-N Барои паҳншавии гармии дастгоҳи пурқувват мувофиқ аст
Вақти фиристодан: май-07-2025