Yarımkeçirici materiallar üç transformativ nəsil vasitəsilə inkişaf etmişdir:
1-ci nəsil (Si/Ge) müasir elektronikanın əsasını qoydu,
2-ci nəsil (GaAs/InP) informasiya inqilabını gücləndirmək üçün optoelektronik və yüksək tezlikli maneələri aşdı,
3-cü Nəsil (SiC/GaN) indi karbon neytrallığını və 6G dövrünü təmin edərək enerji və ekstremal ətraf mühit problemlərini həll edir.
Bu irəliləyiş material elmində çox yönlülükdən ixtisaslaşmaya paradiqmanın dəyişməsini ortaya qoyur.
1. Birinci nəsil yarımkeçiricilər: Silikon (Si) və Germanium (Ge)
Tarixi fon
1947-ci ildə Bell Labs yarımkeçiricilər dövrünün başlanğıcını qeyd edən germanium tranzistorunu icad etdi. 1950-ci illərə qədər silikon sabit oksid təbəqəsi (SiO₂) və bol təbii ehtiyatlara görə inteqral sxemlərin (IC) əsası kimi tədricən germaniumun yerini aldı.
Material xassələri
ⅠBant boşluğu:
Germanium: 0.67eV (dar bant boşluğu, sızma cərəyanına meylli, yüksək temperaturda zəif performans).
Silikon: 1.12eV (dolayı bant aralığı, məntiq sxemləri üçün uyğundur, lakin işıq emissiyasına qadir deyil).
Ⅱ、Silikonun üstünlükləri:
Təbii olaraq MOSFET istehsalına imkan verən yüksək keyfiyyətli oksid (SiO₂) əmələ gətirir.
Aşağı qiymətli və yer üzündə boldur (yer qabığının tərkibinin ~ 28%-i).
Ⅲ、Məhdudiyyətlər:
Aşağı elektron hərəkətliliyi (yalnız 1500 sm²/(V·s)), yüksək tezlikli performansı məhdudlaşdırır.
Zəif gərginlik/temperatur tolerantlığı (maksimum iş tempi ~150°C).
Əsas Tətbiqlər
Ⅰ、İnteqrasiya edilmiş sxemlər (ICs):
CPU-lar, yaddaş çipləri (məsələn, DRAM, NAND) yüksək inteqrasiya sıxlığı üçün silikona əsaslanır.
Misal: İlk kommersiya mikroprosessoru olan Intel 4004 (1971) 10μm silikon texnologiyasından istifadə etdi.
Ⅱ、Güc Cihazları:
Erkən tiristorlar və aşağı gərginlikli MOSFET-lər (məsələn, PC enerji təchizatı) silikon əsaslı idi.
Çağırışlar və Köhnəlmə
Germanium sızma və istilik qeyri-sabitliyi səbəbindən mərhələli şəkildə ləğv edildi. Bununla belə, silikonun optoelektronika və yüksək güclü tətbiqlərdəki məhdudiyyətləri növbəti nəsil yarımkeçiricilərin inkişafına təkan verdi.
2 İkinci Nəsil Yarımkeçiricilər: Qallium Arsenid (GaAs) və İndium Fosfid (InP)
İnkişaf fonu
1970-1980-ci illərdə mobil rabitə, fiber optik şəbəkələr və peyk texnologiyası kimi inkişaf edən sahələr yüksək tezlikli və səmərəli optoelektronik materiallara kəskin tələbat yaratdı. Bu, GaAs və InP kimi birbaşa diapazonlu yarımkeçiricilərin inkişafına təkan verdi.
Material xassələri
Bandaralıq və Optoelektronik Performans:
GaAs: 1.42eV (birbaşa diapazon, işıq emissiyasını təmin edir—lazerlər/LED-lər üçün idealdır).
InP: 1.34eV (uzun dalğalı tətbiqlər üçün daha uyğundur, məsələn, 1550nm fiber-optik rabitə).
Elektron hərəkətliliyi:
GaAs 8500 sm²/(V·s) silisiumu (1500 sm²/(V·s)) ötərək onu GHz diapazonunda siqnalın işlənməsi üçün optimal edir.
Mənfi cəhətləri
lKövrək substratlar: İstehsal etmək silikondan daha çətindir; GaAs vafliləri 10 qat bahadır.
lDoğma oksid yoxdur: Silikonun SiO₂-dən fərqli olaraq, GaAs/InP yüksək sıxlıqlı IC istehsalına mane olan sabit oksidlərdən məhrumdur.
Əsas Tətbiqlər
lRF Front-Ends:
Mobil güc gücləndiriciləri (PA), peyk ötürücüləri (məsələn, GaAs əsaslı HEMT tranzistorları).
lOptoelektronika:
Lazer diodları (CD/DVD sürücüləri), LED-lər (qırmızı/infraqırmızı), fiber-optik modullar (InP lazerləri).
lKosmik Günəş Hüceyrələri:
GaAs hüceyrələri peyklər üçün mühüm əhəmiyyət kəsb edən 30% effektivliyə nail olur (silikon üçün ~20%-ə qarşı).
lTexnoloji darboğazlar
Yüksək xərclər GaAs/InP-ni yüksək səviyyəli tətbiqlərlə məhdudlaşdırır və onların məntiq çiplərində silikonun üstünlük təşkil etməsinə mane olur.
Üçüncü nəsil yarımkeçiricilər (geniş bantlı yarımkeçiricilər): silisium karbid (SiC) və qallium nitridi (GaN)
Texnologiya sürücüləri
Enerji İnqilabı: Elektrikli nəqliyyat vasitələri və bərpa olunan enerji şəbəkələrinə inteqrasiya daha səmərəli enerji cihazları tələb edir.
Yüksək Tezlik Ehtiyacları: 5G rabitə və radar sistemləri daha yüksək tezliklər və güc sıxlığı tələb edir.
Ekstremal Mühitlər: Aerokosmik və sənaye mühərrikləri üçün 200°C-dən yuxarı temperaturlara tab gətirə bilən materiallar lazımdır.
Material xüsusiyyətləri
Geniş bant aralığının üstünlükləri:
lSiC: 3.26eV bant boşluğu, qırılma elektrik sahəsinin gücü 10x silisiumdan 10kV-dən çox gərginliyə tab gətirə bilir.
lGaN: 3,4eV bant boşluğu, 2200 sm²/(V·s) elektron hərəkətliliyi, yüksək tezlikli performansda üstündür.
Termal İdarəetmə:
SiC-nin istilik keçiriciliyi 4,9 Vt/(sm·K) çatır ki, bu da silisiumdan üç dəfə yaxşıdır və onu yüksək güclü tətbiqlər üçün ideal edir.
Maddi Çətinliklər
SiC: Yavaş monokristal böyüməsi 2000°C-dən yuxarı temperatur tələb edir, nəticədə vafli qüsurları və yüksək xərclər (6 düymlük SiC vafli silikondan 20 qat bahadır).
GaN: Təbii substratdan məhrumdur, tez-tez sapfir, SiC və ya silikon substratlarda heteroepitaksiya tələb olunur, bu da qəfəs uyğunsuzluğu problemlərinə səbəb olur.
Əsas Tətbiqlər
Elektrik Elektronikası:
EV çeviriciləri (məsələn, Tesla Model 3 SiC MOSFET-lərdən istifadə edir, səmərəliliyi 5-10% artırır).
Sürətli doldurma stansiyaları/adapterləri (GaN cihazları ölçüsü 50% azaldarkən 100W+ sürətli şarj etməyə imkan verir).
RF Cihazları:
5G baza stansiyası güc gücləndiriciləri (GaN-on-SiC PA-lar mmWave tezliklərini dəstəkləyir).
Hərbi radar (GaN, GaAs-ın 5 × güc sıxlığını təklif edir).
Optoelektronika:
UV LED-lər (sterilizasiya və suyun keyfiyyətinin aşkarlanmasında istifadə olunan AlGaN materialları).
Sənayenin Vəziyyəti və Gələcək Görünüşü
SiC yüksək güc bazarında üstünlük təşkil edir, avtomobil səviyyəli modullar artıq kütləvi istehsaldadır, baxmayaraq ki, xərclər maneə olaraq qalır.
GaN istehlakçı elektronikasında (sürətli şarj) və RF tətbiqlərində sürətlə genişlənir və 8 düymlük vaflilərə keçid edir.
Qallium oksidi (Ga₂O₃, bant boşluğu 4,8eV) və almaz (5,5eV) kimi yeni yaranan materiallar gərginlik həddini 20kV-dan yuxarı qaldıraraq yarımkeçiricilərin “dördüncü nəslini” yarada bilər.
Yarımkeçirici nəsillərin birgəyaşayışı və sinerjisi
Əvəzedici deyil, tamamlayıcılıq:
Silikon məntiq çiplərində və istehlakçı elektronikasında dominant olaraq qalır (qlobal yarımkeçirici bazarının 95%-i).
GaAs və InP yüksək tezlikli və optoelektronik nişlərdə ixtisaslaşır.
SiC/GaN enerji və sənaye tətbiqlərində əvəzolunmazdır.
Texnologiya inteqrasiyası nümunələri:
GaN-on-Si: Sürətli doldurma və RF tətbiqləri üçün GaN-ni aşağı qiymətli silikon substratlarla birləşdirir.
SiC-IGBT hibrid modulları: Şəbəkəyə çevrilmə səmərəliliyini artırın.
Gələcək Trendlər:
Heterojen inteqrasiya: Performans və dəyəri balanslaşdırmaq üçün materialların (məsələn, Si + GaN) bir çipdə birləşdirilməsi.
Ultra geniş diapazonlu materiallar (məsələn, Ga₂O₃, almaz) ultra yüksək gərginlikli (>20kV) və kvant hesablama tətbiqlərini işə sala bilər.
Əlaqədar istehsal
GaAs lazer epitaksial vafli 4 düym 6 düym
12 düymlük SIC substratı silisium karbid birinci dərəcəli diametri 300 mm böyük ölçülü 4H-N Yüksək güclü cihazın istilik yayılması üçün uyğundur
Göndərmə vaxtı: 07 may 2025-ci il