Традиционно в производстве транзисторов доминировали кремний и германий, а также арсенид галлия (GaAs), применяемый для высокочастотных устройств. Однако для удовлетворения растущих требований современной электроники к специализированным устройствам, активно используются и другие перспективные полупроводники.
Современные технологии изготовления биороботов ведут к активному поиску и применению новых гибких, высокопроизводительных, а то и более дешёвых материалов.
Сейчас уже для изготовления транзисторов используют германан или сплав германия с кремнием (SiGe). Вообще-то, электронику уже не только паяют, но и печатают. А в качестве транзисторов используют органические материалы сложных структур. Возможно ли такое, что не будет надобности покупать, например мобильный телефон или умные часы. Ведь можно их будет просто скачать и напечатать на специальном принтере!
Германан — перспективный материал
Всё же не будем пугать производителей электроники и опустимся на землю, где есть такой полупроводник, как германан (GeH). Это двумерный материал, аналог графена, но на основе германия. Представляет собой одноатомный слой германия с присоединенными атомами водорода. Обладает высокой электронной подвижностью зарядов. Этот инновационный материал перспективен для создания сверхбыстрых транзисторов и оптоэлектронных устройств.
В отличие от графена, германан является полупроводником с собственным энергетическим зазором, что делает его более подходящим для создания логических схем. Его уникальная электронная структура позволяет достигать высокой подвижности носителей заряда при комнатной температуре, что крайне важно для высокопроизводительных электронных компонентов.
Подвижность электронов (μ) выражается формулой:
Высокая подвижность электронов в германане открывает новые возможности для разработки миниатюрных и энергоэффективных транзисторов нового поколения. Это позволяет:
· достигать значительно более высоких рабочих частот;
· уменьшать потери энергии при переключении;
· создавать компоненты с беспрецедентно малой задержкой сигнала.
Это способствует дальнейшей миниатюризации устройств, увеличению плотности транзисторов на чипе и снижению общего энергопотребления, что критически важно для развития мобильных устройств, интернета вещей и высокопроизводительных вычислений.
Кремний-германиевые сплавы (SiGe)
SiGe — полупроводниковый сплав кремния и германия. Его главные преимущества включают в себя:
· Значительно более высокую подвижность носителей заряда по сравнению с чистым кремнием;
· Полную совместимость с существующими технологиями производства кремниевых чипов;
· Возможность создания более быстрых и энергоэффективных транзисторов для высокочастотных и высокопроизводительных приложений.
Увеличенная подвижность носителей заряда в SiGe объясняется эффектом деформационного (или натяжного) легирования (strain engineering), когда кристаллическая решетка германия, будучи крупнее кремниевой, создает внутреннее напряжение в пленках SiGe. Это напряжение изменяет зонную структуру материала, что приводит к уменьшению эффективной массы носителей заряда и, как следствие, к их более высокой подвижности.
Подвижность носителей заряда (μ) является ключевым параметром для скорости работы транзисторов и может быть выражена формулой:
Где q — элементарный заряд электрона, τ — среднее время между столкновениями носителей заряда с атомами решетки или примесями, m* — эффективная масса носителя заряда.
Благодаря более низкой эффективной массе электронов и дырок в деформированном материале SiGe, транзисторы на его основе могут работать (переключаться) гораздо быстрее.
В одном из комментариев к прошлой статье про германиевые транзисторы упоминался интегральный усилитель SGA5289Z. Это и есть тот самый гетеропереходной кремний-германиевый усилитель/транзистор. Такая структура делает их идеальными для использования в микропроцессорах, радиочастотных схемах и высокоскоростных оптоэлектронных устройствах.
Материалы для печатной электроники
Существует и развивается электроника, выполненная не классическим способом пайки, а монтируемая методом печати. В ней пассивные компоненты выполняются непосредственно конфигурациями на подложке слой за слоем. А активные компоненты (транзисторы и усилители) создаются во время печати. Реализуется такая печать с помощью специальных материалов.
Проводящие полимеры
Проводящие полимеры (такие как полианилин, PEDOT:PSS, политиофен) представляют собой органические соединения, обладающие способностью проводить электрический ток.
Их проводимость обусловлена делокализованными электронами вдоль полимерной цепи.
Преимущества:
- Гибкость и легкость — они идеальны для создания гибких и носимых устройств.
- Низкая стоимость — изделия получаются относительно дешевыми при их производстве.
- Удобство обработки — компоненты могут быть нанесены из раствора с использованием методов печати.
Недостатки:
- Низкая стабильность — готовые изделия очень чувствительны к влаге, кислороду и высоким температурам.
- Ограниченная проводимость — проводимость соединений и резистивное удельное сопротивление компонентов ниже, чем у традиционных металлов.
Углеродные материалы
Углеродные материалы, включая графен и углеродные нанотрубки, обладают выдающимися электрическими, механическими и термическими свойствами. Графен — это двумерный материал толщиной в один атом, а нанотрубки — это полые цилиндры из графена.
Преимущества:
- Высокая проводимость — имеют чрезвычайно высокую электрическую и тепловую проводимость.
- Механическая прочность — исключительно прочные и гибкие.
- Очень легкие материалы.
Недостатки:
- Высокая стоимость — производство высокочистых материалов может быть очень дорогим.
- Сложность диспергирования — могут быть трудности в равномерном распределении в чернилах.
- Проблемы масштабирования — масштабное производство высокого качества остается серьёзным вызовом. Тем более, что затраты значительно превосходят традиционный smd-монтаж.
Металлические чернила
Металлические чернила состоят из наночастиц металлов (серебра, меди, золота), диспергированных в растворителе.
После нанесения и спекания (сушки при высокой температуре) наночастицы образуют проводящий слой.
Преимущества:
- Отличная проводимость — обеспечивают высокую электрическую проводимость, близкую к объемным металлам.
- Долговечность — создают прочные и надежные проводящие дорожки.
- Совместимость — чернила очень хорошо совместимы с различными подложками.
Недостатки:
- Высокая температура спекания — требуют высоких температур, что ограничивает выбор подложек.
- Стоимость — качественные чернила на основе серебра и золота очень дороги.
- Окисление меди — медные чернила подвержены окислению, что снижает их удельную проводимость.
Органические полупроводники
Существуют и уже применяются углеродсодержащие соединения с полупроводниковыми свойствами. Основные классы:
· олигомеры (пентацен, рубрен);
· полимеры (P3HT, PBTTT);
· фуллерены (C60, C70);
· перилены и их производные.
Их неоспоримые преимущества — это физическая гибкость, легкий вес и сравнительно низкая стоимость производства, также биосовместимость.
Применяют такие разновидности органических транзисторов:
· Органические полевые транзисторы OFET — основа гибкой электроники;
· Органические светоизлучающие транзисторы OLET — для дисплеев, OLED-экраны используются для смартфонов и носимых устройств;
· Органические электрохимические транзисторы OECT — для биосенсоров, могут имплантироваться как медицинские датчики.
Из органических полупроводниковых материалов изготавливается «Умная одежда». Её рабочие компоненты — это интегрированные в ткань электронные изделия, выполненные на основе органических полупроводниковых и других материалов.