Previsioni e sfide dei materiali semiconduttori di quinta generazione

I semiconduttori sono la pietra angolare dell'era dell'informazione e l'iterazione dei materiali semiconduttori definisce direttamente i confini del progresso tecnologico umano.Dalla prima generazione di semiconduttori a base di silicio ai materiali di banda larga di quarta generazione di oggi, ogni ondata di innovazione ha spinto uno sviluppo rapido nelle comunicazioni, nell'energia, nell'informatica e in altri campi.

Analizzando le caratteristiche e la logica di sostituzione generazionale di quattro generazioni di materiali semiconduttori,possiamo dedurre le possibili direzioni per i semiconduttori di quinta generazione e discutere il percorso di rivoluzione della Cina in questo dominio.

I. Caratteristiche delle quattro generazioni di materiali semiconduttori e logica di sostituzione generazionale

Semiconduttori di prima generazione:

L'"era fondamentale" del silicio e del germanio

• Caratteristiche:Rappresentati da semiconduttori elementari come il silicio (Si) e il germanio (Ge), offrivano vantaggi quali basso costo, elaborazione matura e elevata affidabilità.La maggior parte dei dati relativi al consumo di carbonio è stata ottenuta da un gruppo di ricercatori.: 1,12 eV, Ge: 0,67 eV), con conseguente scarsa resistenza alla tensione e insufficiente prestazione ad alta frequenza.

• Applicazioni:Circuiti integrati, celle solari, dispositivi a bassa tensione e bassa frequenza.

• Motivo della sostituzione:Con l'aumento della domanda di prestazioni ad alta frequenza e ad alta temperatura nelle comunicazioni e nell'optoelettronica, i materiali a base di silicio non potevano più soddisfare i requisiti.

Semiconduttori di seconda generazione:

La "rivoluzione ottoelettronica" dei semiconduttori composti

• Caratteristiche:Rappresentato da semiconduttori composti III-V come l'arsenuro di gallio (GaAs) efosfuro di indio (InP), questi materiali presentano intervalli di banda più ampi (GaAs: 1,42 eV) e elevata mobilità elettronica, che li rende adatti per applicazioni ad alta frequenza e optoelettroniche.

• Applicazioni:Dispositivi RF 5G, laser, comunicazioni satellitari.

• Sfide:Scarsità di materiali (ad esempio, l'abbondanza di indio è solo dello 0,001%) e elevati costi di produzione, con elementi tossici (come l'arsenico) coinvolti.

• Motivo della sostituzione:L'emergere di nuove apparecchiature energetiche e ad alta tensione richiedeva una resistenza e un'efficienza ancora più elevate, portando all'aumento dei materiali a banda larga.

Semiconduttori di terza generazione:

La "rivoluzione energetica" dei materiali a banda larga

• Caratteristiche:Centrati attorno al carburo di silicio (SiC) e al nitruro di gallio (GaN), questi materiali offrono intervalli di banda significativamente più ampi (SiC: 3,2 eV, GaN: 3,4 eV), campi elettrici ad alta ripartizione,elevata conduttività termica, e prestazioni di alta frequenza superiori.

• Applicazioni:Sistemi di propulsione elettrica nei veicoli a nuova energia, inverter fotovoltaici, stazioni base 5G.

• Vantaggi:Rispetto ai dispositivi a base di silicio, riducono il consumo energetico di oltre il 50% e riducono il volume del dispositivo del 70%.

• Motivo della sostituzione:I campi emergenti come l'intelligenza artificiale e il calcolo quantistico richiedevano materiali con prestazioni ancora più elevate, portando all'avvento di materiali a banda ultra larga.

Semiconduttori di quarta generazione:

L'"estrema scoperta" dei materiali a banda larga

• Caratteristiche:Rappresentato da:(Ga2O3) e diamante (C), questi materiali estendono ulteriormente la banda (Ga2O3: 4,8 eV), offrendo una resistenza alla conduzione ultra-bassa, una resistenza alla tensione ultra-alta e un significativo potenziale di riduzione dei costi.
   

• Applicazioni:Chip ad altissima tensione, rilevatori UV profondi, dispositivi di comunicazione quantistica.
   

• Sviluppi:I dispositivi a ossido di gallio possono resistere a tensioni superiori a 8000V, con un'efficienza triplicata rispetto ai dispositivi a SiC.
   

• Logic di sostituzione:Man mano che le richieste globali di potenza di calcolo ed efficienza energetica si avvicinano ai limiti fisici, i nuovi materiali devono raggiungere salti di prestazioni su scala quantistica.
   

II. Tendenze per i semiconduttori di quinta generazione:

Il "progetto futuro" dei materiali quantistici e delle strutture bidimensionali
 

Se il percorso evolutivo di "espansione del bandgap + integrazione funzionale" continua, i semiconduttori di quinta generazione possono concentrarsi sulle seguenti direzioni: