Bahan semikonduktor geus mekar ngaliwatan tilu generasi transformative:
Gen 1 (Si/Ge) nempatkeun pondasi éléktronika modern,
Generasi 2 (GaAs/InP) ngaliwat halangan optoeléktronik sareng frékuénsi luhur pikeun ngawasa revolusi inpormasi,
3rd Gen (SiC/GaN) ayeuna tackle énergi jeung ekstrim-lingkungan tantangan, ngamungkinkeun neutrality karbon jeung jaman 6G.
Kamajuan ieu ngungkabkeun peralihan paradigma tina versatility ka spésialisasi dina élmu material.
1. Semikonduktor Generasi Kahiji: Silicon (Si) jeung Germanium (Ge)
Latar sajarah
Dina 1947, Bell Labs nimukeun transistor germanium, nandaan subuh jaman semikonduktor. Nepi ka taun 1950-an, silikon laun-laun ngaganti germanium salaku pondasi sirkuit terpadu (ICs) alatan lapisan oksidana stabil (SiO₂) jeung cadangan alam anu loba pisan.
Sipat Bahan
ⅠBandgap:
Germanium: 0.67eV (bandgap sempit, rawan leakage ayeuna, kinerja-suhu luhur goréng).
Silikon: 1.12eV (bandgap teu langsung, cocog pikeun sirkuit logika tapi henteu mampuh émisi cahaya).
Ⅱ,Keunggulan Silicon:
Alami ngabentuk oksida kualitas luhur (SiO₂), ngamungkinkeun fabrikasi MOSFET.
Biaya rendah sareng seueur pisan bumi (~ 28% tina komposisi kerak).
Ⅲ,Watesan:
Mobilitas éléktron lemah (ngan 1500 cm²/(V·s)), ngawatesan kinerja frékuénsi luhur.
Tegangan lemah / kasabaran suhu (suhu operasi max. ~ 150 ° C).
Aplikasi konci
Ⅰ,Sirkuit Terpadu (ICs):
CPU, chip mémori (misalna DRAM, NAND) ngandelkeun silikon pikeun kapadetan integrasi anu luhur.
Conto: Intel's 4004 (1971), mikroprosesor komérsial munggaran, ngagunakeun téknologi silikon 10μm.
Ⅱ,Alat kakuatan:
Tiristor awal sareng MOSFET tegangan rendah (contona, catu daya PC) dumasar kana silikon.
Tantangan & Obsolescence
Germanium ieu phased kaluar alatan leakage jeung instability termal. Tapi, keterbatasan silikon dina optoeléktronik sareng aplikasi kakuatan tinggi nyababkeun pangembangan semikonduktor generasi salajengna.
2 Semikonduktor Generasi Kadua: Gallium Arsenide (GaAs) sareng Indium Phosphide (InP)
Kasang Tukang Pangwangunan
Salila 1970-1980s, widang munculna kawas komunikasi mobile, jaringan serat optik, jeung téhnologi satelit nyiptakeun paménta pencét pikeun bahan optoeléktronik frékuénsi luhur tur efisien. Ieu nyababkeun kamajuan semikonduktor bandgap langsung sapertos GaAs sareng InP.
Sipat Bahan
Bandgap & Performance Optoelektronik:
GaAs: 1.42eV (gap langsung, ngamungkinkeun émisi cahaya-idéal pikeun lasers / LEDs).
InP: 1.34eV (leuwih cocog pikeun aplikasi panjang gelombang, misalna, komunikasi serat optik 1550nm).
Mobilitas éléktron:
GaAs ngahontal 8500 cm²/(V·s), jauh ngaleuwihan silikon (1500 cm²/(V·s)), sahingga optimal pikeun ngolah sinyal rentang GHz.
Kakurangan
lSubstrat rapuh: Harder dijieun ti silikon; Wafer GaAs hargana 10 × langkung.
lTaya oksida asli: Teu kawas SiO₂ silikon, GaAs/InP kakurangan oksida stabil, ngahalangan fabrikasi IC dénsitas luhur.
Aplikasi konci
lRF Front-Tungtung:
Panguat daya mobile (PA), transceiver satelit (contona, transistor HEMT basis GaAs).
loptoeléktronik:
Laser diodes (CD/DVD drives), LEDs (beureum/infra red), modul serat optik (laser InP).
lSél Surya Angkasa:
Sél GaAs ngahontal efisiensi 30% (vs. ~ 20% pikeun silikon), krusial pikeun satelit.
lBottlenecks téhnologis
Biaya tinggi ngurung GaAs/InP pikeun niche aplikasi high-end, nyegah aranjeunna tina mindahkeun dominasi silikon dina chip logika.
Semikonduktor Generasi Katilu (Semikonduktor Wide-Bandgap): Silicon Carbide (SiC) sareng Gallium Nitride (GaN)
Supir Téhnologi
Revolusi Énergi: Kandaraan listrik sareng integrasi jaringan énergi anu tiasa diénggalkeun nungtut alat listrik anu langkung éfisién.
Kabutuhan Frékuénsi Luhur: Komunikasi 5G sareng sistem radar ngabutuhkeun frékuénsi anu langkung luhur sareng kapadetan kakuatan.
Lingkungan Ekstrim: Aerospace sareng aplikasi motor industri peryogi bahan anu tiasa tahan suhu langkung ti 200 ° C.
Ciri Bahan
Keunggulan Wide Bandgap:
lSiC: Bandgap 3.26eV, kakuatan médan listrik ngarecah 10 × tina silikon, sanggup tahan tegangan leuwih 10kV.
lGaN: Bandgap 3.4eV, mobilitas éléktron 2200 cm²/(V·s), unggul dina kinerja frékuénsi luhur.
Manajemén termal:
Konduktivitas termal SiC ngahontal 4,9 W / (cm · K), tilu kali langkung saé tibatan silikon, janten idéal pikeun aplikasi kakuatan tinggi.
Tantangan Bahan
SiC: Tumuwuh kristal tunggal anu laun merlukeun suhu di luhur 2000°C, nyababkeun cacad wafer sareng biaya anu luhur (wafer SiC 6 inci nyaéta 20 × langkung mahal tibatan silikon).
GaN: Kurang substrat alami, sering meryogikeun heteroepitaxy dina sapir, SiC, atanapi substrat silikon, nyababkeun masalah anu teu cocog sareng kisi.
Aplikasi konci
Éléktronik Daya:
Inverter EV (contona, Tesla Model 3 nganggo SiC MOSFET, ningkatkeun efisiensi ku 5-10%).
Stasiun ngecas gancang / adaptor (alat GaN ngaktifkeun 100W + ngecas gancang bari ngurangan ukuranana ku 50%).
Alat RF:
5G base station power amplifier (GaN-on-SiC PAs ngarojong frékuénsi mmWave).
Radar militér (GaN nawiskeun 5 × kapadetan kakuatan GaAs).
optoeléktronik:
LED UV (bahan AlGaN dipaké dina sterilization jeung deteksi kualitas cai).
Status Industri jeung Outlook Future
SiC ngadominasi pasar kakuatan tinggi, kalayan modul kelas otomotif parantos aya dina produksi masal, sanaos biaya tetep janten halangan.
GaN ngembang pesat dina éléktronika konsumen (ngeusi gancang) sareng aplikasi RF, transisi ka arah wafer 8 inci.
Bahan-bahan anu muncul sapertos galium oksida (Ga₂O₃, bandgap 4.8eV) sareng inten (5.5eV) tiasa ngabentuk "generasi kaopat" semikonduktor, ngadorong wates tegangan saluareun 20kV.
Coexistence jeung Sinergi Generasi Semikonduktor
Komplementaritas, Henteu Gantian:
Silicon tetep dominan dina chip logika jeung éléktronika konsumén (95% tina pasar semikonduktor global).
GaAs sareng InP ngahususkeun kana niche frekuensi tinggi sareng optoeléktronik.
SiC / GaN henteu tiasa digentoskeun dina tanaga sareng aplikasi industri.
Conto Integrasi Téknologi:
GaN-on-Si: Ngagabungkeun GaN sareng substrat silikon béaya rendah pikeun ngecas gancang sareng aplikasi RF.
modul hibrid SiC-IGBT: Ningkatkeun efisiensi konversi grid.
Tren Kahareup:
Integrasi hétérogén: Ngagabungkeun bahan (misalna Si + GaN) dina chip tunggal pikeun nyaimbangkeun kinerja sareng biaya.
Bahan celah pita ultra-lega (contona, Ga₂O₃, inten) tiasa ngaktipkeun tegangan ultra-tinggi (>20kV) sareng aplikasi komputasi kuantum.
Produksi patali
GaAs laser epitaxial wafer 4 inci 6 inci
12 inci SIC substrat silikon carbide kelas perdana diaméterna 300mm ukuran badag 4H-N Cocog jeung kakuatan tinggi alat dissipation panas
waktos pos: May-07-2025