Полупроводнички материјали су еволуирали кроз три трансформативне генерације:
Прва генерација (Si/Ge) поставила је темеље модерне електронике,
Друга генерација (GaAs/InP) пробила је оптоелектронске и високофреквентне баријере како би покренула информациону револуцију,
Трећа генерација (SiC/GaN) сада се бави енергетским и екстремним еколошким изазовима, омогућавајући угљенично неутралност и 6G еру.
Ова прогресија открива промену парадигме од свестраности ка специјализацији у науци о материјалима.
1. Полупроводници прве генерације: силицијум (Si) и германијум (Ge)
Историјска позадина
Године 1947, Белове лабораторије су изумеле германијумски транзистор, обележавајући зору полупроводничке ере. До 1950-их, силицијум је постепено заменио германијум као основу интегрисаних кола (ИЦ) због свог стабилног оксидног слоја (SiO₂) и обилних природних резерви.
Својства материјала
ⅠЗасег опсега:
Германијум: 0,67eV (узак енергетски процеп, склон струји цурења, лоше перформансе на високим температурама).
Силицијум: 1,12 eV (индиректна енергетска забрањена зона, погодна за логичка кола али неспособна за емитовање светлости).
Ⅱ,Предности силицијума:
Природно формира висококвалитетни оксид (SiO₂), што омогућава израду MOSFET-а.
Ниска цена и обилна распрострањеност на земљи (~28% састава коре).
Ⅲ,Ограничења:
Мала покретљивост електрона (само 1500 цм²/(V·s)), што ограничава перформансе на високим фреквенцијама.
Слаба толеранција напона/температуре (максимална радна температура ~150°C).
Кључне апликације
Ⅰ,Интегрисана кола (ИЦ):
Процесори, меморијски чипови (нпр. DRAM, NAND) ослањају се на силицијум за високу густину интеграције.
Пример: Интелов 4004 (1971), први комерцијални микропроцесор, користио је силицијумску технологију од 10 μм.
Ⅱ,Уређаји за напајање:
Рани тиристори и нисконапонски MOSFET-ови (нпр. напајања за рачунаре) били су на бази силицијума.
Изазови и застарелост
Германијум је постепено укинут због цурења и термичке нестабилности. Међутим, ограничења силицијума у оптоелектроници и применама велике снаге подстакла су развој полупроводника следеће генерације.
Полупроводници друге генерације: галијум арсенид (GaAs) и индијум фосфид (InP)
Позадина развоја
Током 1970-их и 1980-их, нове области попут мобилних комуникација, оптичких влакана и сателитске технологије створиле су хитну потражњу за високофреквентним и ефикасним оптоелектронским материјалима. То је подстакло напредак полупроводника са директним енергетским процепом попут GaAs и InP.
Својства материјала
Перформансе енергетског зазора и оптоелектронске перформансе:
GaAs: 1,42eV (директна енергетска ширина забрањене зоне, омогућава емисију светлости — идеално за ласере/ЛЕД диоде).
InP: 1,34eV (боље погодно за примене на дугим таласним дужинама, нпр. комуникације оптичким влакнима од 1550nm).
Мобилност електрона:
GaAs постиже 8500 cm²/(V·s), далеко надмашујући силицијум (1500 cm²/(V·s)), што га чини оптималним за обраду сигнала у GHz опсегу.
Недостаци
лКрхке подлоге: Теже их је произвести од силицијумских; GaAs плочице коштају 10 пута више.
лБез изворног оксида: За разлику од силицијумског SiO₂, GaAs/InP нема стабилне оксиде, што омета израду интегрисаних чипова високе густине.
Кључне апликације
лРФ предњи делови:
Мобилни појачавачи снаге (PA), сателитски примопредајници (нпр. HEMT транзистори засновани на GaAs).
лОптоелектроника:
Ласерске диоде (CD/DVD уређаји), ЛЕД диоде (црвене/инфрацрвене), модули са оптичким влакнима (InP ласери).
лСвемирске соларне ћелије:
GaAs ћелије постижу ефикасност од 30% (у односу на ~20% за силицијум), што је кључно за сателите.
лТехнолошка уска грла
Високи трошкови ограничавају GaAs/InP на нишне врхунске примене, спречавајући их да замене доминацију силицијума у логичким чиповима.
Полупроводници треће генерације (полупроводници са широким енергетским процепом): силицијум карбид (SiC) и галијум нитрид (GaN)
Технолошки покретачи
Енергетска револуција: Електрична возила и интеграција мреже обновљивих извора енергије захтевају ефикасније уређаје за напајање.
Потребе за високим фреквенцијама: 5G комуникациони и радарски системи захтевају веће фреквенције и густину снаге.
Екстремна окружења: За примену у ваздухопловству и индустријским моторима потребни су материјали способни да издрже температуре веће од 200°C.
Карактеристике материјала
Предности широког опсега:
лSiC: Ширина забрањене зоне од 3,26 eV, јачина пробојног електричног поља 10 пута већа од силицијумског, способан да издржи напон преко 10 kV.
лGaN: Ширина забрањене зоне од 3,4 eV, мобилност електрона од 2200 cm²/(V·s), одличне перформансе на високим фреквенцијама.
Термално управљање:
Топлотна проводљивост SiC-а достиже 4,9 W/(cm·K), три пута боља од силицијумске, што га чини идеалним за примене велике снаге.
Материјални изазови
SiC: Спор раст монокристала захтева температуре изнад 2000°C, што резултира дефектима плочице и високим трошковима (SiC плочица од 6 инча је 20 пута скупља од силицијума).
GaN: Нема природну подлогу, често захтева хетероепитаксију на сафирним, SiC или силицијумским подлогама, што доводи до проблема са неусклађеношћу решетки.
Кључне апликације
Енергетска електроника:
Инвертори за електрична возила (нпр. Тесла Модел 3 користи SiC MOSFET-ове, побољшавајући ефикасност за 5–10%).
Станице/адаптери за брзо пуњење (GaN уређаји омогућавају брзо пуњење од 100W+ уз смањење величине за 50%).
РФ уређаји:
Појачавачи снаге 5G базних станица (GaN-on-SiC PA подржавају mmWave фреквенције).
Војни радар (GaN нуди 5 пута већу густину снаге од GaAs).
Оптоелектроника:
УВ ЛЕД диоде (AlGaN материјали који се користе у стерилизацији и детекцији квалитета воде).
Статус индустрије и будући изгледи
SiC доминира тржиштем производа велике снаге, са модулима аутомобилског квалитета који су већ у масовној производњи, иако трошкови остају препрека.
GaN се брзо шири у потрошачкој електроници (брзо пуњење) и РФ применама, прелазећи ка 8-инчним плочицама.
Нови материјали попут галијум оксида (Ga₂O₃, енергетски процеп 4,8 eV) и дијаманта (5,5 eV) могу формирати „четврту генерацију“ полупроводника, померајући границе напона преко 20 kV.
Коегзистенција и синергија полупроводничких генерација
Комплементарност, а не замена:
Силицијум остаје доминантан у логичким чиповима и потрошачкој електроници (95% глобалног тржишта полупроводника).
GaAs и InP се специјализују у високофреквентним и оптоелектронским нишама.
SiC/GaN су незаменљиви у енергетским и индустријским применама.
Примери интеграције технологије:
GaN-on-Si: Комбинује GaN са јефтиним силицијумским подлогама за брзо пуњење и РФ примене.
SiC-IGBT хибридни модули: Побољшајте ефикасност конверзије мреже.
Будући трендови:
Хетерогена интеграција: Комбиновање материјала (нпр. Si + GaN) на једном чипу ради уравнотежења перформанси и трошкова.
Материјали са ултрашироким енергетским процепом (нпр. Ga₂O₃, дијамант) могу омогућити примене ултрависоког напона (>20kV) и квантног рачунарства.
Повезана производња
GaAs ласерска епитаксијална плочица 4 инча 6 инча
12-инчна SIC подлога силицијум карбида главне класе пречника 300 мм велике величине 4H-N погодна за одвођење топлоте уређаја велике снаге
Време објаве: 07. мај 2025.