Mae deunyddiau lled-ddargludyddion wedi esblygu trwy dair cenhedlaeth drawsnewidiol:
Gosododd y Genhedlaeth 1af (Si/Ge) y sylfaen ar gyfer electroneg fodern,
Torrodd yr 2il Genhedlaeth (GaAs/InP) drwy rwystrau optoelectronig ac amledd uchel i bweru'r chwyldro gwybodaeth,
Mae'r 3ydd Genhedlaeth (SiC/GaN) bellach yn mynd i'r afael â heriau ynni ac amgylchedd eithafol, gan alluogi niwtraliaeth carbon a chyfnod 6G.
Mae'r dilyniant hwn yn datgelu newid paradigm o amlochredd i arbenigo mewn gwyddor deunyddiau.
1. Lled-ddargludyddion Cenhedlaeth Gyntaf: Silicon (Si) a Germaniwm (Ge)
Cefndir Hanesyddol
Ym 1947, dyfeisiodd Bell Labs y transistor germaniwm, gan nodi dechrau oes y lled-ddargludyddion. Erbyn y 1950au, roedd silicon wedi disodli germaniwm yn raddol fel sylfaen cylchedau integredig (ICs) oherwydd ei haen ocsid sefydlog (SiO₂) a'i gronfeydd naturiol toreithiog.
Priodweddau Deunydd
ⅠBwlch band:
Germaniwm: 0.67eV (bandbwlch cul, dueddol o gollyngiadau cerrynt, perfformiad tymheredd uchel gwael).
Silicon: 1.12eV (bwlch band anuniongyrchol, addas ar gyfer cylchedau rhesymeg ond yn analluog i allyrru golau).
Ⅱ,Manteision Silicon:
Yn ffurfio ocsid o ansawdd uchel (SiO₂) yn naturiol, gan alluogi cynhyrchu MOSFET.
Cost isel ac yn doreithiog ar y ddaear (~28% o gyfansoddiad y cramen).
Ⅲ,Cyfyngiadau:
Symudedd electronau isel (dim ond 1500 cm²/(V·s)), sy'n cyfyngu ar berfformiad amledd uchel.
Goddefgarwch foltedd/tymheredd gwan (tymheredd gweithredu uchaf ~150°C).
Cymwysiadau Allweddol
Ⅰ,Cylchedau Integredig (ICs):
Mae CPUs, sglodion cof (e.e., DRAM, NAND) yn dibynnu ar silicon ar gyfer dwysedd integreiddio uchel.
Enghraifft: Defnyddiodd 4004 (1971) Intel, y microbrosesydd masnachol cyntaf, dechnoleg silicon 10μm.
Ⅱ,Dyfeisiau Pŵer:
Roedd thyristorau cynnar a MOSFETs foltedd isel (e.e., cyflenwadau pŵer PC) yn seiliedig ar silicon.
Heriau a Darfodedigaeth
Cafodd germaniwm ei ddileu'n raddol oherwydd gollyngiadau ac ansefydlogrwydd thermol. Fodd bynnag, fe wnaeth cyfyngiadau silicon mewn optoelectroneg a chymwysiadau pŵer uchel sbarduno datblygiad lled-ddargludyddion y genhedlaeth nesaf.
2 Lled-ddargludyddion Ail Genhedlaeth: Galliwm Arsenid (GaAs) ac Indiwm Ffosffid (InP)
Cefndir Datblygu
Yn ystod y 1970au–1980au, creodd meysydd newydd fel cyfathrebu symudol, rhwydweithiau ffibr optegol, a thechnoleg lloeren alw dybryd am ddeunyddiau optoelectronig amledd uchel ac effeithlon. Hyn a ysgogodd ddatblygiad lled-ddargludyddion bwlch band uniongyrchol fel GaAs ac InP.
Priodweddau Deunydd
Perfformiad Bwlch Band ac Optoelectroneg:
GaAs: 1.42eV (bwlch band uniongyrchol, yn galluogi allyriadau golau—yn ddelfrydol ar gyfer laserau/LEDs).
InP: 1.34eV (yn fwy addas ar gyfer cymwysiadau tonfedd hir, e.e., cyfathrebu ffibr optig 1550nm).
Symudedd Electron:
Mae GaAs yn cyflawni 8500 cm²/(V·s), sy'n rhagori ymhell ar silicon (1500 cm²/(V·s)), gan ei wneud yn optimaidd ar gyfer prosesu signalau yn yr ystod GHz.
Anfanteision
lSwbstradau brau: Anoddach i'w cynhyrchu na silicon; mae wafferi GaAs yn costio 10 gwaith yn fwy.
lDim ocsid brodorol: Yn wahanol i SiO₂ silicon, mae diffyg ocsidau sefydlog mewn GaAs/InP, sy'n rhwystro gweithgynhyrchu IC dwysedd uchel.
Cymwysiadau Allweddol
lBlaen-Blaen RF:
Chwyddseinyddion pŵer symudol (PAs), trawsderbynyddion lloeren (e.e., transistorau HEMT sy'n seiliedig ar GaAs).
lOptoelectroneg:
Deuodau laser (gyriannau CD/DVD), LEDs (coch/is-goch), modiwlau ffibr-optig (laserau InP).
lCelloedd Solar Gofod:
Mae celloedd GaAs yn cyflawni effeithlonrwydd o 30% (o'i gymharu â ~20% ar gyfer silicon), sy'n hanfodol ar gyfer lloerennau.
lTagfeydd Technolegol
Mae costau uchel yn cyfyngu GaAs/InP i gymwysiadau pen uchel arbenigol, gan eu hatal rhag disodli goruchafiaeth silicon mewn sglodion rhesymeg.
Lled-ddargludyddion Trydydd Genhedlaeth (Lled-ddargludyddion Bwlch Band Eang): Silicon Carbid (SiC) a Galliwm Nitrid (GaN)
Gyrwyr Technoleg
Chwyldro Ynni: Mae cerbydau trydan ac integreiddio grid ynni adnewyddadwy yn galw am ddyfeisiau pŵer mwy effeithlon.
Anghenion Amledd Uchel: Mae angen amleddau a dwysedd pŵer uwch ar systemau cyfathrebu a radar 5G.
Amgylcheddau Eithafol: Mae angen deunyddiau sy'n gallu gwrthsefyll tymereddau uwchlaw 200°C ar gymwysiadau modur awyrofod a diwydiannol.
Nodweddion Deunydd
Manteision Bwlch Band Eang:
lSiC: Bwlch band o 3.26eV, cryfder maes trydan chwalfa 10× cryfder silicon, yn gallu gwrthsefyll folteddau dros 10kV.
lGaN: Bwlch band o 3.4eV, symudedd electronau o 2200 cm²/(V·s), yn rhagori mewn perfformiad amledd uchel.
Rheoli Thermol:
Mae dargludedd thermol SiC yn cyrraedd 4.9 W/(cm·K), dair gwaith yn well na silicon, gan ei wneud yn ddelfrydol ar gyfer cymwysiadau pŵer uchel.
Heriau Deunyddiol
SiC: Mae twf grisial sengl araf yn gofyn am dymheredd uwchlaw 2000°C, gan arwain at ddiffygion wafer a chostau uchel (mae wafer SiC 6 modfedd 20 gwaith yn ddrytach na silicon).
GaN: Yn brin o swbstrad naturiol, sy'n aml yn gofyn am heteroepitacsi ar swbstradau saffir, SiC, neu silicon, gan arwain at broblemau anghydweddu dellt.
Cymwysiadau Allweddol
Electroneg Pŵer:
Gwrthdroyddion cerbydau trydan (e.e., mae Tesla Model 3 yn defnyddio MOSFETau SiC, gan wella effeithlonrwydd 5–10%).
Gorsafoedd/addaswyr gwefru cyflym (mae dyfeisiau GaN yn galluogi gwefru cyflym 100W+ wrth leihau maint 50%).
Dyfeisiau RF:
Mwyhaduron pŵer gorsaf sylfaen 5G (mae PAs GaN-ar-SiC yn cefnogi amleddau mmWave).
Radar milwrol (mae GaN yn cynnig dwysedd pŵer 5 gwaith yn fwy na GaAs).
Optoelectroneg:
LEDs UV (deunyddiau AlGaN a ddefnyddir mewn sterileiddio a chanfod ansawdd dŵr).
Statws y Diwydiant a Rhagolygon y Dyfodol
Mae SiC yn dominyddu'r farchnad pŵer uchel, gyda modiwlau gradd modurol eisoes mewn cynhyrchu màs, er bod costau'n parhau i fod yn rhwystr.
Mae GaN yn ehangu'n gyflym mewn electroneg defnyddwyr (gwefru cyflym) ac RF, gan drawsnewid tuag at wafers 8 modfedd.
Gallai deunyddiau sy'n dod i'r amlwg fel ocsid galiwm (Ga₂O₃, bwlch band 4.8eV) a diemwnt (5.5eV) ffurfio "pedwerydd genhedlaeth" o led-ddargludyddion, gan wthio terfynau foltedd y tu hwnt i 20kV.
Cydfodolaeth a Synergedd Cenedlaethau Lled-ddargludyddion
Cyflenwadoldeb, nid Amnewidiad:
Mae silicon yn parhau i fod yn amlwg mewn sglodion rhesymeg ac electroneg defnyddwyr (95% o'r farchnad lled-ddargludyddion fyd-eang).
Mae GaAs ac InP yn arbenigo mewn cilfachau amledd uchel ac optoelectroneg.
Mae SiC/GaN yn anhepgor mewn cymwysiadau ynni a diwydiannol.
Enghreifftiau o Integreiddio Technoleg:
GaN-ar-Si: Yn cyfuno GaN â swbstradau silicon cost isel ar gyfer gwefru cyflym a chymwysiadau RF.
Modiwlau hybrid SiC-IGBT: Gwella effeithlonrwydd trosi grid.
Tueddiadau'r Dyfodol:
Integreiddio heterogenaidd: Cyfuno deunyddiau (e.e., Si + GaN) ar un sglodion i gydbwyso perfformiad a chost.
Gall deunyddiau bandbwlch ultra-eang (e.e., Ga₂O₃, diemwnt) alluogi cymwysiadau cyfrifiadura ultra-foltedd uchel (>20kV) a chwantwm.
Cynhyrchu cysylltiedig
Wafer epitacsial laser GaAs 4 modfedd 6 modfedd
Swbstrad SIC 12 modfedd silicon carbid gradd brif diamedr 300mm maint mawr 4H-N Addas ar gyfer gwasgaru gwres dyfais pŵer uchel
Amser postio: Mai-07-2025