أشباه الموصلات: الاستخدامات والآثار – أخبار إلكترونيات القوى

من حيث التوصيل الكهربائي ، يمكن تصنيف المواد الصلبة على نطاق واسع إلى ثلاث مجموعات:

• العوازل هي مواد لا توصل الكهرباء بسهولة وبالتالي يمكن استخدامها لفصل سطحين لا تريد أي تدفق للتيار عبرهما. تشمل الأمثلة على ذلك البلاستيك والورق والكوارتز (ثاني أكسيد السيليكون أو SiO₂).
• المعادن هي المواد التي توصل الكهرباء بسهولة وبالتالي يمكن استخدامها لنقل التيار وربط مادتين موصلة. ومن الأمثلة على ذلك النحاس والألمنيوم.
• أشباه الموصلات هي مواد فريدة من نوعها حيث يمكن تغيير خصائصها من غير موصلة إلى موصلة بناءً على محفز خارجي ، مثل الجهد المطبق. عندما نشير إلى أشباه الموصلات المستخدمة في التطبيقات الإلكترونية ، فإننا نعني عادةً تلك التي يتم ترتيب اتجاهها البلوري – أي الاتجاه الذري – في بنية متكررة ومحددة جيدًا. يمكن أن تتكون من عناصر مفردة ، مثل السيليكون (Si) ، أو مواد مركبة تتكون من عدة عناصر مختلفة ، مثل كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN).

يظهر تمثيل تصويري لهذه المجموعات الثلاث في الشكل 1. وهذا يوضح نطاقات الطاقة داخل المادة. يمكن اعتبار نطاق التكافؤ على أنه يمثل الإلكترونات المتاحة مجانًا الموجودة في الغلاف الخارجي للبنية الذرية. يمثل نطاق التوصيل حالات الإلكترون الشاغرة لأدنى طاقة متاحة. يتضمن توصيل التيار في أشباه الموصلات إثارة الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل عبر فجوة الطاقة بين هذه المناطق.

في المعدن ، هذه الفجوة غير موجودة بسبب تداخل هذه النطاقات ، وبالتالي ، لها موصلية كهربائية عالية. في العازل ، تكون هذه الفجوة كبيرة (على سبيل المثال ، ~ 10 فولت في SiO₂، حيث eV هو مقدار الشغل المبذول على إلكترون لجعله يمر بفارق جهد 1-V). في أشباه الموصلات ، تكون فجوة الطاقة عادةً في نطاق 1-eV (Si) إلى 3-eV (SiC و GaN). تجعل هذه الفجوة مناسبة للاستخدام في تطبيق يمكن فيه للجهد المطبق خارجيًا (عادةً بضعة فولتات) تغيير السلوك من النوع العازل إلى نوع التوصيل. مستوى فيرمي E._F في الشكل 1 هو قياس طاقة الإلكترون الأقل إحكامًا في مادة صلبة. في أشباه الموصلات الجوهرية ، تقع عادةً بين نطاق التكافؤ والتوصيل.

أنواع مختلفة من أشباه الموصلات واستخداماتها

الغالبية العظمى من جميع أشباه الموصلات المستخدمة في التطبيقات الإلكترونية تعتمد على السيليكون. أدت عقود من التطور التكنولوجي على هذه المادة إلى مستويات مذهلة من التقدم في الأجهزة التي تم إنشاؤها من هذا ، وفقًا لقانون مور لمضاعفة كثافة الجهاز كل عامين. تشمل بعض مزاياها الفريدة ما يلي:

• القدرة على تخدير هيكلها البلوري بسهولة بالذرات التي يمكنها تحريك E_F مستوى صعودا أو هبوطا. في السيليكون ، يمكن القيام بذلك عادةً من خلال غرس أيونات أيونات مثل P ، As (مانحون لإنشاء n-type Si) إلى B (لإنشاء p-type Si). في نوع Si ، تشغل الإلكترونات الزائدة مواقع شاغرة وبالتالي توصل الإلكترونات نحو جهد موجب. في النوع p Si ، يتم سحب الإلكترونات بعيدًا عن مواقع التكافؤ ، مما يؤدي إلى تكوين شحنة موجبة تسمى الفتحة ، والتي تتدفق بشكل فعال في اتجاه معاكس للإلكترون.
• القدرة على تكوين SiO عالي الجودة وعازل بسهولة₂ طبقة أكسيد على سطحه. يسمح هذا بالتحكم في حالة الجهاز بموثوقية عالية في جهاز يسمى ترانزستور تأثير المجال من أكسيد المعادن وأشباه الموصلات (MOSFET) ، كما هو موضح في الشكل 2. الجهد الموجب المطبق على بوابة NMOS يخلق قناة إلكترونية تحت أكسيد ، يربط بشكل فعال بين عقد المصدر والصرف.
• سهولة تشكيل كل من الأجهزة من النوع n و p ، جنبًا إلى جنب مع أكسيد البوابة عالي الجودة الذي يمنع بشكل أساسي سحب التيار الثابت على مصدر البوابة V_جي، أدى إلى التقدم السريع في تقنية MOS أو CMOS التكميلية ، كما هو موضح في الشكل 3. الميزة الرئيسية لـ CMOS هي أنه نظرًا لوجود PMOS و NMOS في سلسلة على بوابة منطقية أساسية ، فإن أحد هذه الأجهزة يكون دائمًا متوقفًا ، وبالتالي رسم تيار ثابت أنا_د على V._DD منخفظ جدا. NMOS و PMOS I_د مقابل V._جي تظهر المنحنيات في الشكل 4 ، مما يشير إلى جهد التشغيل V_تي، حيث يتم تشغيل الجهد المطبق على البوابة على القناة بين المصدر والصرف.
• السيليكون فعال للغاية من حيث التكلفة. تتم معالجة أشباه الموصلات عادةً باستخدام أقراص دائرية مسطحة ، والتي يتم إنتاجها بدورها من أجل كرة أسطوانية مقطعة إلى شرائح. يمكن إنشاء سيليكون عالي الجودة وقطر كبير (12 بوصة) في درجات حرارة منخفضة نسبيًا ، مما يجعل سعر رقاقة البداية عادةً جزءًا صغيرًا من التكلفة الإجمالية للرقائق المعالجة.

بينما سيطر CMOS على التصاميم المنطقية / القائمة على المعالجة ، لا تزال الترانزستورات ثنائية القطب ، التي كانت مهيمنة قبل تطوير CMOS ، تستخدم في دوائر معينة ، مثل عندما تكون هناك حاجة إلى مكاسب عالية للتيار أو انخفاض ضوضاء 1 / f في مكبرات الصوت. يستخدم الترانزستور ثنائي القطب بوابة موصلة ، مع البوابة المحقونة (تسمى الآن القاعدة) يتم تضخيمها عند الصرف (يسمى الآن المجمع) إلى المصدر (يسمى الآن الباعث).

استكشاف تأثير أحدث تقنيات أشباه الموصلات

وفقًا لجمعية صناعة أشباه الموصلات (SIA) ، بلغ إجمالي مبيعات أشباه الموصلات العالمية 573.5 مليار دولار في عام 2022. هناك جهد هائل في ابتكار التكنولوجيا وتحسينها. تتضمن بعض الأمثلة ما يلي:

• التكامل ثلاثي الأبعاد: نظرًا لأن تحجيم القالب على المستوى الأفقي يصبح أصعب وأكثر تكلفة مع كل جيل ، يتم السعي لتحقيق التكامل ثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد لتحسين الكثافة والأداء. على سبيل المثال ، أظهرت Intel أجهزة ذاكرة موضوعة فوق الترانزستورات. تحقق الورقة النانوية المكدسة الشاملة للبوابة قناة ثنائية الأبعاد بسمك ثلاث ذرات فقط. تعد ابتكارات التعبئة والتغليف أمرًا بالغ الأهمية ، كما أن التكامل غير المتجانس مع الترابط المباشر يسمح للعديد من الألواح الخشبية بأن تكون مترابطة مع نغمات دقيقة على نفس الركيزة. من المتوقع أن تنتج هذه التحسينات تريليون ترانزستور على حزمة في العقد المقبل.
• الخلايا الكهروضوئية (PV): وصلت السعة المركبة الكهروضوئية إلى مستوى تيراواط في عام 2022. ومن المتوقع أن تكون هناك حاجة إلى أكثر من 3 تيراواط من السعة السنوية الجديدة لتلبية أهداف تغير المناخ. على المستوى الأساسي ، الخلية الكهروضوئية هي صمام ثنائي ، حيث يتم تحفيز الإلكترونات إلى نطاق التوصيل بواسطة الضوء. تصنع الألواح عادة من بولي سيلكون أو سيليكون أحادي البلورة. تشمل الابتكارات في هذا المجال الرئيسي تحسين عمر اللوحات ، والتي أصبحت الآن مضمونة بشكل روتيني لمدة 25 عامًا ولكن يمكن أن تستمر بعد ذلك بكثير ، بالإضافة إلى التكلفة والكفاءة. تتمتع الخلايا أحادية البلورة اليوم بكفاءة تبلغ حوالي 20٪ ، وتشمل طرق تحسين ذلك إنشاء خلية ترادفية ، حيث يتم وضع طبقة ثانية مثل البيروفسكايت (وهو عبارة عن أشباه موصلات تعتمد على الكالسيوم) في الأعلى. تمتص هذه الطبقة الضوء الأزرق بسهولة أكبر ، مما يزيد من الكفاءة الكلية بنسبة 30٪. تركز الابتكارات الأخرى على الاتصال ، مع الجهود المبذولة لتقليل استخدام الفضة التي تُطبع على الشاشة عادةً ، لمواد أخرى مثل النحاس.
• الإلكترونيات الضوئية: التصوير الطبي والاتصالات والسيارات هي بعض المجالات التي تلعب فيها الإلكترونيات الضوئية دورًا رئيسيًا. ومن الأمثلة على ذلك أنظمة الكشف عن الضوء والمدى (LiDAR) المستخدمة كجزء من نظام مساعدة السائق المتقدم (ADAS) المستخدم في العديد من السيارات. لقد خضع الليزر المصنوع من أشباه الموصلات مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) إلى تطورات تقنية لجعلها صغيرة وقابلة للتصنيع على نطاق واسع.

تداعيات أشباه الموصلات على المستقبل

ستلعب أشباه الموصلات دورًا رئيسيًا في كل جانب تقريبًا من جوانب حياتنا المستقبلية. تتضمن بعض الأمثلة ما يلي:

• الطاقة الخضراء: تمت مناقشة التكنولوجيا الكهروضوئية للطاقة الشمسية أعلاه. علاوة على ذلك ، يحتاج توزيع وتخزين الطاقة إلى تحسينات. تلعب إلكترونيات الطاقة الحديثة القائمة على SiC دورًا حيويًا بشكل متزايد في تحويل طاقة الشبكة عند مستويات جهد متوسط ​​أكثر كفاءة (على سبيل المثال ، 13.8 كيلو فولت). تلعب أجهزة SiC و GaN أيضًا دورًا مهمًا في تحويل الطاقة للتفاعل مع أنظمة تخزين البطاريات وتوليد طاقة الشبكة الصغيرة والتفاعل مع مدخلات التيار المتردد لمنازلنا. السيارات الكهربائية هي مثال رئيسي على استخدام أجهزة الطاقة المتطورة المصنوعة من SiC و GaN للشحن وتحويل الطاقة.
• الذكاء الاصطناعي: يمكن تصنيف شرائح الذكاء الاصطناعي إلى تلك المستخدمة في الخدمات السحابية وغيرها من الشرائح المستخدمة في الحوسبة المتطورة ، أي في المستشعر. تستخدم شركات مثل Google الذكاء الاصطناعي في السوق السحابية. تتطلب هذه معالجات متخصصة وتستهلك ذاكرة مكثفة ، مما يدفع إلى تحسين هياكل الذاكرة مثل الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي 2.5D. تم تصميم رقائق الذكاء الاصطناعي المتخصصة لتشغيل الأشياء بالتوازي وليس بالتتابع ، كما هو الحال في وحدات المعالجة المركزية التقليدية.

إطلاق العنان لإمكانيات أشباه الموصلات

يتجلى الدور الرئيسي الذي تلعبه أشباه الموصلات في المبالغ الكبيرة من المال ، والتي تقدر بأكثر من نصف تريليون دولار على مدى العقد المقبل ، والتي تضعها الشركات والبلدان في تصنيع أشباه الموصلات والمواد والأبحاث. بينما يتكيف العالم مع مستقبل أكثر اخضرارًا ، وأكثر كثافة للبيانات ، وآلي ، ستلعب أشباه الموصلات دورًا حيويًا في إنشاء هذه التقنيات.

حصل Sonu Daryanani على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد بإنجلترا أثناء إجراء بحث في مختبرات AT&T Bell ، نيوجيرسي على الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، كان مهندسًا لتكامل الأجهزة / العمليات في Microchip Technology ، AZ حيث عمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com