Чтобы понять меняющийся характер производства полупроводников, необходимо разобраться в существующих полупроводниковых материалах и в том, как их состав влияет на электронные устройства. Отраслевые новости содержат самую свежую информацию о ценах на материалы и исследованиях, но, как правило, предполагают осведомленность о текущих свойствах материалов и ограничениях.
Какие полупроводниковые материалы используются чаще всего?
Наиболее используемыми полупроводниковыми материалами являются кремний, германий и арсенид галлия. Из этих трех германий был одним из самых ранних используемых полупроводниковых материалов. Германий имеет четыре валентных электрона, которые являются электронами, расположенными на внешней оболочке атома.
Количество валентных электронов в полупроводниковом материале определяет его проводимость. Являясь важным шагом в эволюции полупроводниковых материалов, германий в значительной степени вышел из употребления в пользу нынешнего короля полупроводниковых материалов — кремния.
Кремний широко используется в качестве полупроводникового материала с 1950-х годов. Самый распространенный элемент на земле после углерода, кремний имеет четыре валентных электрона и плавится при более высокой температуре, чем германий (1414 градусов по Цельсию по сравнению с 938,3 градуса по Цельсию у германия).
Кремний в изобилии содержится в кварците. Процессы экстракции, очистки и кристаллизации кремния эффективны и экономичны. Элемент кристаллизуется в форме алмаза, образуя относительно прочное соединение, придающее кристаллам кремния высокие механические свойства.
Арсенид галлия является вторым наиболее распространенным полупроводником, используемым сегодня. В отличие от кремния и германия, арсенид галлия является соединением, а не элементом, и образуется путем объединения галлия с его тремя валентными электронами с мышьяком, который имеет пять валентных электронов.
Восемь валентных электронов заставляют устройства на основе арсенида галлия быстро реагировать на электрические сигналы, что делает соединение хорошо подходящим для усиления высокочастотных сигналов, наблюдаемых телевизионными спутниками. Однако арсенид галлия имеет некоторые ограничения: это соединение сложнее производить массово, чем кремний, а химические вещества, используемые при производстве арсенида галлия, довольно токсичны.
Какие полупроводниковые материалы являются наиболее эффективными?
В дополнение к арсениду галлия, диоксид кремния обладает характеристиками, превосходящими кремний, что позволяет использовать его в качестве изолятора, пассивирующего слоя и строительного слоя в устройствах на основе оксида металла (MOS), типа полевых транзисторов с изолированным затвором. Диоксид кремния обладает высокой диэлектрической прочностью и более широкой запрещенной зоной, чем кремний, что делает его эффективным изолятором, и соединение легко наносится на другие материалы.