Giriş: Modern Elektronikin Görünmez Motorları

Her akıllı telefon, dizüstü bilgisayar, tıbbi cihaz ve veri merkezi tek bir malzeme sınıfına dayanıyor: yarı iletkenler. Bu malzemeler, metallerin ve indüktörlerin, sağlam-devlet fiziğinin temelsel gelişimini sağladı.Moore'in Yasası)

Yarı iletkenler nedir?

Optik iletkenler, elektrik iletkenliğinin tam olarak kimyasal doping, sıcaklık veya uygulamalı gerilim ile kontrol edilebilir.Teçmişler (örneğin, bakır, gümüş) bol miktarda ücretsiz elektronlar ve silikonlar (örneğin, plastik, cam) mevcut akışla güçlü bir şekilde dört tane valanlı elektronu paylaşan, kendi elektronik bant yapısından ortaya çıkarlar - lattice içindeki elektronlar için izin verilen enerji seviyelerinin düzenlenmesi.

Elemental vs. bileşik yarı iletkenler

En yaygın kullanılan yarı iletken malzeme: 0) ⁇ [Dönetici:0)[Dönderlik tablosunun Grup IV'ten bir elemental yarı iletken. Silikon'un bol miktarda, termal istikrar ve iyi düşünülmüş üretim süreçleri, bütünleşik devre endüstrisinin işhorunu yapmıştır.

  • [FONT:0]Almanium[DÜT:1) - yüksek frekanslı transistörlerde ve fiber optik dedektörlerinde daha yüksek taşıyıcı hareketliliği nedeniyle kullanılır, ancak daha küçük bantgap (0.67 eV) sınırları yüksek sıcaklık operasyonu.
  • [FONT:0)Gallium arsenide (GaAs)) - doğrudan bir grupgap (1.43 eV) ile bir bileşik, LEDler, lazer diyotları ve RF verimliliğin önemli olan yükseklik ve optoelektronik verimliliğin önemli olduğu.
  • [FONT:0)Siliconsport (SiC) [Dönder: 1) ve 5G altyapısı ve güç şebekeleri (GaN)[Döneticileri) [C3 ve 3,4 eV, sırasıyla) daha yüksek gerilimleri, sıcaklıkları ve frekansları ele alan, daha fazla elektrik araçları, 5G altyapısı ve güç şebekeleri.
  • [FONT:0)Indium phosphide (InP)) ve [[Dönetici:2)[Görüngede · 3 ) - III-V bileşikler yüksek hızlı iletişim ve fotonik bütünleşik devreler için kullanılan fiber optik ağlar için.

Yarı iletken malzemenin seçimi, gerekli bandgap, taşıyıcı hareketliliği, termal iletkenlik ve hedef uygulama için substrat kullanılabilirliği bağlıdır. Silikon, yerli oksit (SiO2) nedeniyle mükemmel bir kapı dielektrik oluşturur - alan- etkiler transistörler için önemli bir avantaj sağlar.

Temel Bilimsel Prensipler Temel Bilimsel Prensipler

Bu fikirlerin ustalığı yarı iletken davranışları altında birkaç temel fiziksel konsept, elektronik cihazları tasarlamak ve optimize etmek için gereklidir, basit diyotlardan çok yönlü transistörlere kadar.

Electron Band Teorisi ve Bandgap

Katı, ayrık atom enerji seviyeleri çakışıyor ve gruplara bölünmüş durumda. [Ücretsiz:0) Eşdeğerlik grubu[Döntgenlik grubu[Dönemli) elektronların atomlara bağlı olduğunu, ancak silikonun mükemmel bir şekilde var olduğu yerde elektronların ısıtıldığını tespit ediyor.

Eleştirel bir ayrım, doğrudan bir grup halinde (örneğin, transksiyon bandı) aynı anda meydana gelir (k-vektör) Bu, ışık üretmesine yardımcı olur. Doğrudan bir gruptaki (örneğin, GaAs), iletken bant minimum ve optik hız bandı aynı anda meydana gelir (k-vektör) Bu, ışıklandırmak için daha verimli hale getirir.

Etkili Kitle ve Taşıyıcı Hareketliliği

Elektronlar ve delikler (kökeler) kristalin bir ışık altındayken davranırlar:0) etkisiz kütle[Döneticileri ve diğer kristalleri ile farklı boyutlardaki sıcaklık kontrolleri ile farklı frekanslar arasındaki hızlar (Döneticileri) - elektrik alanında hızlar veya hızlar (örneğin, elektronlar) - yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte 10 cm.000 cm'lik sıcaklık kontrolleri (örneğin,)

Hareketlilik mekanizmaları ile sınırlıdır: [Dönüşükümler:0])Yüksek ısıtılır (Düzücük titreşimler) yüksek sıcaklıklara hükmedilirken, DÜŞÜNCÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜye göre yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklıklar için yüksek miktardaki yüksek sıcaklıklara hükmedilir.

Fermi Seviye ve Carrier Statistics

[FONT=0]Fermi seviyesi[Dönetici: 0,3], elektron işgali olasılığı, Fermi-Dirac dağıtımına göre% 50 oranında azalır.Kapital olmayan motorların ve deliklerin yakınında bulunur.

Doping: Impurities ile Tailoring Davranış

Saf silikon, zayıf bir iletkendir çünkü onun intrinsic taşıyıcı konsantrasyonu çok düşük (~1.5 × 1010 cm -3 300 Kuantumda) Yararlı cihazlar yapmak için, mühendisler kasıtlı olarak kontrollü miktarlar (Döneticileri) - yüksek sıcaklıklara (yaşlamalar) ve yüksek sıcaklıklara (düşütmeler) göre yüksek çözünürlükte artış gösterir.

N-Type Doping

Kaleme uygun bir element eklemek: 0,0)phosphorus[Dönetici:2)) ve 5 elektron genellikle serbest taşıyıcı olur.

P-Type Doping

Bir trivalent elementi gibi ekleyin:0)boron) (üç valans elektron) eksik bir bağ bırakır, aİLFLT:2) delilik) . Delikler, speratif taşıyıcılar ile hareket etmek için, genellikle elektronlardan daha düşük (~450 cm2/V· elektronlarda delikler için) daha yüksek çözünürlükte bir elektronu doldururken, bir komşuluk bağından sonra, bir delik başka yerde görünür.

Dejenrate Doping ve Compensation

Bu seviyede, bağışçı veya eşdeğer gruplar, iletkenlik (projeksiyon) veya valans grubu ile bir araya geldiğinde, her iki bağışçının da dahil olduğu gibi, geçici bir şekilde kesintiye uğraması veya daha fazla yüklenmemesi gerekir.

Yarı iletkenler Elektrik Nasıl Yapılır

Yarı iletkenlerde iki tür taşıyıcı içerir: elektronlar (negative) ve delikler (pozisyon) toplam mevcut elektron ve delik akımları. taşıyıcı istatistikler ve ulaşım mekanizmaları, farklı önyargılar, sıcaklıklar ve malzeme koşulları altında tahmin etmek için çok önemlidir.

Drift Current ve Carrier Drift Velocity

Bir elektrik alanı uygulandığında, şarj taşıyıcıları hızlanır ve aETHFLT:0)drift hız), düşük alanlarda (köprüji rejim) alanına doğru orantılı olarak, hızdaki yoğunluktır (J) yüksek alanlarda, hızdaki boşluklar nedeniyle yapılır.

Diffüzyon Current

Carriers ayrıca düşük konsantrasyona yüksek konsantrasyon bölgelerinden hareket eder, taşıyıcı konsantrasyonun yüksek çözünürlükte (Dönetici) ile ilgili olarak, özellikle p-n kavim ve bipolar transistörlerin, cihazın çok fazlaını anlamalıdır.The diffüzyon akımı, taşıyıcı konsantrasyon ve difüzyon katsayısının yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlüktedir.

Recombination and Generation

Elektronlar ve delikler ısı veya ışık olarak enerjinizi yeniden üretebilir. Dengede, taşıyıcı nesil (termal excitation) ve rekombinasyon dengesi. Three mainSRH) rekombinasyon mekanizmaları var: [Dönemli rekombinasyon[Dönemli)[Dönemesel rekombinasyon[Dönemeler, ısı ve ısıtılmış sistemler)[Düzemeler, yüksek çözünürlükte, otomatik olarak yeniden yüklenir.

Yarı iletken cihazlar ve onların işlevleri

Yarı iletkenler, elektronik bileşenlerin geniş bir dizi sağlar. İki temel, diyot ve transistördür, her biri p-n kavim üzerine inşa edilmiştir. bellek hücreleri, sensörler ve güç anahtarları bu temel ilkeler üzerinde inşa edilir.

p-n Junction ve Diode

P-tip ve n tipi malzemeler bir araya getirildiğinde, aritmeler (p-in)[Döneticiler) Bu, aritmetik (Dönetici) şeklinde bir araya gelir.Instep-type and n-type materials are bring together, the n-side, negative on the p-side) Bu alan, bir elektrot sıcaklığında negatif bir elektrotiğe karşı gelir.

Diod'un mevcut gerilim (I-V) özelliği, doğrusal olarak akışa izin veren, eğimli devretme (Cumart) ve sadece küçük bir sızıntı (gösterme) bozulmaya kadar akışlar (gösterme) - 1). İleride önyargı (p pozitif bağıllık, gerilim) ve elementleri korumak için mevcut olan (faz) ilerleyici bir şekilde (kanıt) arasındaki gerilimler (parçalışlama) ve sadece küçük bir sızıntıya kadar (öpücükürücük) akışlar (parçak) ilerleyiciler (parçaklış)

Transistörler: Amplification and Switching

Transistörler modern mantığın ve amplifikasyonun yapı taşlarıdır. İki ana aile var: [[Üye:0)bipolar kavistleri (BJT)) ve [[Dönetici-aktif-aktif-aktif-aktif-aktif transistörler (MOSFET)) [BJT’ler, entegre devrelerin erken entegre devrelerde baskınken, MOSFET’ler artık dijital elektroniklerin büyük çoğunluğunu daha düşük enerji tüketimi ve ölçeklenebilirliklerinden dolayı güçlendirir.

Bipolar Junction Transistor (BJT)

Bir BJT üç dolanan bölgeden oluşur: baskı, temel ve koleksiyoncu, npn veya pnp yapıları oluşturur. npn transistörden çok daha büyük bir akım yayıcıyı kontrol etmek için temelden gelen bir uygulama. Operasyon, ters geçişli temel bölge ve koleksiyonlarını ters-biyaplı koleksiyoncular tarafından genişletir.Mevcut kazanç (LR) genellikle 50 ve 300 arasındadır ve cihazın transkondüktörleri yüksek çözünürlükte kullanılır.

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET)

MOSFET, dijital bütünleşik devrelerdeki baskın transistördür. Bir kapı elektrot (daha ince bir oksit tabakası ile kanaldan) kaynak ve drenaj arasındaki iletkenliği kontrol etmek için bir gerilim kullanır. Kapı gerilimi bir eşiği aştığında (Vthreshold) oksit-semiktör arayüzünde bir gerilim kullanır, mevcut olan bir gerilimin nasıl akmasına izin verir.

Modern MOSFETs, 1960'ların basit planar yapılarından dramatik bir şekilde gelişti ve bu nedenle, nano boyuttaki frekans kanallarını ortadan kaldırmak için [Düzgesel olmayan) otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik olarak otomatik hale getirilmesini sağlar.

Diğer Önemli Yarı iletkenlik cihazları

  • [FONT:0) Işık-eating diyotlar (LEDler)) - doğrudan bantgaps (GaN, GaAs, InGaN) ile elektrik enerjisini elektrotsaniye ile dönüştürmek için bileşik yarı iletkenler kullanın.
  • [FONT:0)Solar hücreleri [DÜT:1] - fotonları absorbe eden ve ayrı elektron delik çiftlerini mevcut üretmeye iten p-film teknolojileri (CdTe, CIGS) ve perovskites zemin kazanıyor.
  • [FONT:0)Memory cihazları[Dönetici:0)[DRAM, ReRAM, PCM) şarj etmek için transistör hücre kullanırken, Flash bellek, izole bir poli ⁇ katmanında depolanırken, bellek olmayan depolamalara izin verir.
  • [FONT:0)Power cihazlar[DÜT:1] - güç MOSFETs, IGBTs (ikantlı iki tipte) ve yourristors yüksek gerilimleri ve motor sürücüleri, güç malzemeleri ve elektrik araçları kontrol eder. Wide-bandgap malzemeleri (SiC, GaN) hızla yüksek performanslı güç uygulamalarına yerleştirir.
  • [FONT:0]Fotoğraftatektörler[[Döneticiler) - şu anda ışık yoğunluğuna uygun olarak üretilen ters-biyan diyotlar, kameralarda, fiber optik alıcılarda ve çevresel algılamada kullanılır.

Scaling Challenges ve Modern Innovations

Transistör boyutları 10 nm altında (ve şimdi tek sayısal nanometre aralığına) bağlanırken, klasik yarı iletken fizik kuantum mekanik etkiler ile takviye edilmelidir.ETHFLT:0)Quantum tünelleme[DDDDDDDDDDDDDDDD) üzerinden yüksek- ⁇ dielektrikler ile bile, yüksek çözünürlükte bile, hıza ve hıza kadar hıza yol açıyor.

Strained Silikon ve Silikon-on-Insulator (SOI)

Silikon lattice (strained silikon) onu rahat bir SiGe tabakasının üzerinde büyüterek taşıyıcı hareketliliğini grup yapısını değiştirerek ve etkili kütleyi azaltın.Bu, fiziksel kapı uzunluğu azaltmadan daha hızlı transistörler sağlar.)0.Sili-on-Insulator (SOI)).

Yeni Kanal Malzemeleri

Hidrojektif silikonun ötesinde, araştırmacılar ►D[DÜSTR:0)SiGe) ve ►D malzeme[D) gibi [Düzücükler için kullanılan malzemeler (örneğin, nanojeneratifler için) ve transistöryel olmayan kontroller için, gelişmiş bağlantı ve epit aksiyel büyüme teknikleri gerektirir.

Gelişmiş Desen ve Interconnects

EUV lithography at 13.5 nm boyun eğlendiricisi 10 nm'den daha küçük özellikler modellenmesi sağlar, ancak maskelerin ve araçların karmaşıklığı ve maliyeti ölçülebilirdir.Kendi kendine özgü bir çok desen (SAMP) ve kendi kendine benzeyen (DSA) blok kopolimerlerin keşfi, gelişim altında alternatiflerdir.

Güç ve Heat Management

Transistör yoğunluğu arttıkça, güç yoğunluğu birincil bir kısıtlama haline geldi. Dinamik güç ölçekleri (C × V2 × × aktivite) ve statik güç ölçekleri dinamik güçle kesintiler.Uygunluk gibi Advanced paketleme teknikleri)[FinFinFinFinFinFinFET, GAA) sızıntıyı azaltır, mikrobumpsiyonlar ve mikrobiyöneticileri kullanarak.

Geniş-Bandgap yarı iletkenleri: Sonraki Sınır

Yüksek gerilim, yüksek sıcaklık veya yüksek frekans talep eden uygulamalar için, silikonun temel malzeme sınırları bir engel haline gelir.ETHFLT:0)Wide-bandgap yarı iletkenleri), grupgaps ile 2.5 eV teklif üstün özellikler: yüksek bozulma elektrik alanı, yüksek ısı iletkenliği ve belirli bir gerilim puanı için daha düşük.

Silikon

SiC, 3× daha yüksek (enerji kaybı ve aralıkları) yüksek substratlar (eskiler) 10 kV ve kavim sıcaklıklarının üzerinde çalışır (mikroborlar, iplik dislokasyonları) ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte (örneğin, yüksek çözünürlükte) ve hızlarda yüksek çözünürlükte (örneğin, yüksek çözünürlükte) hızlanır.

Gallium Nide (GaN)

GaN'nin 3,4 eV ve yüksek elektron hareketliliği (genellikle 22000 cm2/V • iki boyutlu elektron gazı (2DEG) iki boyutlu elektron gazı (2DEG) iki boyutlu elektrotoksit bariyerleri ile kontrol edilir. kritik alanı -3 MV/cm, yerel bir GaN substratı (çoğu zaman) yüksek çözünürlükte yetiştirilen bir elektrik akımına sahiptir.

Meydanlar ve Kabul

Avantajlarına rağmen, geniş bantlı malzemeler maliyet, güvenilirlik ve üretim ölçeğinde engellerle karşı karşıyadır. Ambalaj, yüksek gerilimler ve termal bisikletle başa çıkmalı ve kapı sürüş gereksinimleri silikondan farklı (örneğin, SiC MOSFET'lerin güvenilir geçiş için olumsuz kapı sürücülerine ihtiyacı vardır). Otomotiv ve endüstriyel nitelik için kalite standartları sıkıcadır.

Sonuç: Ufuk Ötesinde

Yarı iletkenlerin arkasındaki bilimsel ilkeler – grup teorisi, doping, taşıyıcı taşıma ve p-n kavşak fiziği – sadece akademik kavramlar değil; dijital çağını yönlendiren mühendislik gerçeklikleridir. İlk Almanyum noktasından-ilekçiye 1999'da milyar-transistor mikroişlemcilere ve kedi Fütürücülere, negatif-dönüşüme, yeni bir teknolojiye devam eder.