Жартылай өткізгіштердің кең далалық айырмасы

Кіріспе

Үлкен жолақты арақашықтығы бар жартылай өткізгіш материалдар

Кең жолақты жартылай өткізгіштер (сонымен қатар WBG жартылай өткізгіштер немесе WBGS деп аталады) – бұл дәстүрлі жартылай өткізгіштерге қарағанда үлкен жолақты арақашықтығы бар жартылай өткізгіш материалдар. Силикон сияқты дәстүрлі жартылай өткізгіштердің жолақты арақашықтығы 0,6–1,5 электронвольт (eV) диапазонында, ал кең жолақты материалдардың жолақты арақашықтығы 2 eV-тан жоғары. Жалпы алғанда, кең жолақты жартылай өткізгіштердің электрондық қасиеттері дәстүрлі жартылай өткізгіштер мен оқшаулағыштардың арасында орналасады. Кең жолақты жартылай өткізгіштер құрылғыларға силикон және галлий арсениді сияқты дәстүрлі жартылай өткізгіш материалдарға қарағанда әлдеқайда жоғары кернеуде, жиілікте және температурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Олар қысқа толқынды ұзындығы (жасыл түстің ультракөк сәулесі) бар светодиодтар мен лазерлер жасау үшін қолданылатын негізгі компонент болып табылады, сондай-ақ кейбір радиожиіліктік қолдануларда, әсіресе әскери радарларда қолданылады. Олардың ішкі қасиеттері оларды көптеген басқа да қолданулар үшін қолайлы етеді және жалпы жартылай өткізгіштерді пайдалану үшін келесі буын құрылғыларының маңызды үміткерлерінің бірі болып табылады. Жолақтың кең арақашықтығы оларды қолданатын құрылғылардың 300 °C-қа дейін жоғары температурада жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, бұл оларды әскери қолдану үшін өте тартымды етеді, онда олар кеңінен қолданылады. Жоғары температураға төзімділік сонымен қатар бұл құрылғылардың қалыпты жағдайда әлдеқайда жоғары қуат деңгейінде жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Сонымен қатар, кең жолақты материалдардың көпшілігі дәстүрлі жартылай өткізгіштерге қарағанда он есеге жуық электр өрісінің жоғары тығыздығына ие. Бұл қасиеттердің үйлесімі оларды әлдеқайда жоғары кернеу мен токпен жұмыс істеуге мүмкіндік береді, бұл оларды әскери, радио және қуат түрлендіру қолдануларында өте құнды етеді. АҚШ Энергетика министрлігі олардың жаңа электр желісі мен баламалы энергия құрылғыларында, сондай-ақ электр көлігімен жүретін көліктер мен электр пойыздарында қолданылатын берік және тиімді қуат компоненттерінде негізгі технология болатынына сенімді. Кең жолақты материалдардың көпшілігі сонымен қатар жоғары еркін электрондық жылдамдыққа ие, бұл оларға жоғары ауысу жылдамдықтарында жұмыс істеуге мүмкіндік береді, бұл радио қолдануларында олардың құндылығын арттырады. Бір WBG құрылғысын толық радио жүйесін жасау үшін пайдалануға болады, бұл жоғары жиіліктерде және қуат деңгейлерінде жұмыс істегенде жеке сигнал және радиожиіліктік компоненттердің қажеттілігін жояды. Кең жолақты материалдарды зерттеу және әзірлеу 1970 жылдан бері үлкен инвестиция алған дәстүрлі жартылай өткізгіштерден қалып қойды. Алайда, олардың көптеген қолданулардағы айқын артықшылықтары, сондай-ақ дәстүрлі жартылай өткізгіштерде кездеспейтін кейбір ерекше қасиеттері кремнийдің орнына күнделікті электрондық құрылғыларда оларды қолдануға қызығушылықты арттырды. Олардың жоғары қуат тығыздығын өңдеу қабілеті Мур заңын сақтауға жасалған әрекеттер үшін ерекше тартымды. Бұл заң интегралды схемадағы транзисторлардың тығыздығының тұрақты өсуін көрсетеді, ондаған жылдар бойы ол шамамен екі жылда бір рет екі есеге көбейді. Алайда, дәстүрлі технологиялар транзисторлардың тығыздығының шегіне жетіп қалған сияқты көрінеді.

Wide bandgap semiconductors (also known as WBG semiconductors or WBGSs) are semiconductor materials which have a larger band gap than conventional semiconductors. Conventional semiconductors like silicon have a bandgap in the range of 0.6 – 1.5 electronvolt (eV), whereas wide bandgap materials have bandgaps in the range above 2 eV. Generally, wide bandgap semiconductors have electronic properties which fall in between those of conventional semiconductors and insulators. Wide bandgap semiconductors permit devices to operate at much higher voltages, frequencies, and temperatures than conventional semiconductor materials like silicon and gallium arsenide. They are the key component used to make short wavelength (green UV) LEDs or lasers, and are also used in certain radio frequency applications, notably military radars. Their intrinsic qualities make them suitable for a wide range of other applications, and they are one of the leading contenders for next generation devices for general semiconductor use. The wider bandgap is particularly important for allowing devices that use them to operate at much higher temperatures, on the order of 300 °C. This makes them highly attractive for military applications, where they have seen a fair amount of use. The high temperature tolerance also means that these devices can be operated at much higher power levels under normal conditions. Additionally, most wide bandgap materials also have a much higher critical electrical field density, on the order of ten times that of conventional semiconductors. Combined, these properties allow them to operate at much higher voltages and currents, which makes them highly valuable in military, radio, and power conversion applications. The US Department of Energy believes they will be a foundational technology in new electrical grid and alternative energy devices, as well as the robust and efficient power components used in high power vehicles from plug in electric vehicles to electric trains. Most wide bandgap materials also have high free electron velocities, which allows them to work at higher switching speeds, which adds to their value in radio applications. A single WBG device can be used to make a complete radio system, eliminating the need for separate signal and radio frequency components, while operating at higher frequencies and power levels. Research and development of wide bandgap materials lags behind that of conventional semiconductors, which have received massive investment since the 1970s. However, their clear inherent advantages in many applications, combined with some unique properties not found in conventional semiconductors, has led to increasing interest in their use in everyday electronic devices instead of silicon. Their ability to handle higher power density is particularly attractive for attempts to sustain Moore's law the observed steady rate of increase in the density of transistors on an integrated circuit, which has, over decades, doubled roughly every two years. Conventional technologies, however, appear to be reaching a plateau of transistor density.

Құралдарда пайдалану

Кең жолақты материалдардың тар жолақты материалдарға қарағанда тиімдірек болуына себеп болатын бірнеше ерекшеліктері бар. Жоғары энергиялық айырма құрылғыларға жоғары температурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді, себебі жолақтар температураның көтерілуімен тарылады, бұл дәстүрлі жартылай өткізгіштерді қолданғанда қиындық тудыруы мүмкін. Кейбір қолданулар үшін кең жолақты материалдар құрылғыларға жоғары кернеуді қосуға мүмкіндік береді. Кең жолақтылық электрондық өту энергиясын көрінетін жарық энергиясы деңгейіне жеткізеді, сондықтан жарықдиодтар (LED) және жартылай өткізгіш лазерлер сияқты жарық шығаратын құрылғыларды жасауға болады, олар көрінетін спектрде сәуле шығарады, тіпті ультракүлгін сәуле де шығаруы мүмкін. Кең жолақты жартылай өткізгіштерді пайдаланатын қатты күйдегі жарықтандыру, ваттына 20 люменнен кем жарық беру тиімділігі бар шамдармен салыстырғанда, жарық беруге қажетті энергия мөлшерін азайтуға мүмкіндік береді. LED-тердің тиімділігі шамамен ваттына 160 люменді құрайды. Кең жолақты жартылай өткізгіштерді радиожиілік сигналдарын өңдеуде де қолдануға болады. Кремний негізді қуат транзисторлары жұмыс жиілігі, түйреу кернеуі және қуат тығыздығының шегіне жетіп қалды. Кең жолақты материалдар жоғары температурада және қуатты коммутациялауда қолданылады.

Материалдар

IV топтағы жалғыз кең жолақты материалдар – алмаз және кремний карбиді (SiC). Көптеген III–V және II–VI қосылыс жартылай өткізгіштері кең жолақты. III–V жартылай өткізгіштер отбасында алюминий нитриді (AlN) 200–250 нм толқын ұзындығындағы ультракүлгін LED-тер жасауға қолданылады, галлий нитриді (GaN) көк LED-тер мен лазерлік диодтар жасауға қолданылады, ал борон нитриді (BN) көк LED-терге қолдануға ұсынылады.

Жалпы кең жолақты жартылай өткізгіштер кестесі

Топ элементі. Материал формуласы Тораптық саңылау (eV) Саңылау түрі Сипаттама IV 1 Алмаз C 5.47 жанама Өте жақсы жылу өткізгіштігі. Жоғары механикалық және оптикалық қасиеттері. IV 2 Кремний карбиді SiC 2.3 3.3 жанама Тораптық аралық кристалл құрылымына байланысты өзгереді, 3C SiC, 4H SiC немесе 6H SiC. Жоғары кернеу және жоғары температурада қолдануға, сондай-ақ алғашқы сары және көк түсті LED-терге пайдаланылады. III V 2 Борон нитриді BN 5.96 6.36 Тізімде көрсетілген тораптық аралық тиісінше кубтық немесе гексагонды кристалл құрылымына сәйкес келеді. III V 2 Алюминий фосфиді AlP 2.45 және көк лазерлерге потенциалды пайдалы. GaN транзисторлары микротолқынды қуат күшейткіштерінде қолданылатын GaAs-қа қарағанда жоғары кернеуде және жоғары температурада жұмыс істей алады. Мысалы, манганецпен легирленгенде магниттік жартылай өткізгішке айналады. III V 2 Галлий фосфиді GaP 2.26 Ең көп зерттелген жартылай өткізгіштердің бірі. Көптеген қолданулар мен эффектлер алғаш рет осы материалда көрсетілді. Бұрын кремнийге дейін диодтарды түзеуге пайдаланылған. Оксид 2 Қалай диоксиді SnO2 3.7 Қысқылтек тапшылығы бар n-типіндегі жартылай өткізгіш. Газ сенсорларында және мөлдір өткізгіш ретінде қолданылады. Қабатты 2 Галлий селениді GaSe 2.1 жанама Фотоөткізгіш. Сызықтық емес оптикада қолданылады. 2D материал ретінде пайдаланылады. Ауаға сезімтал.

Жапсырма аралығы

Кванттық механика материалдардың әрқайсысы үшін ерекше электрондық энергия деңгейлері немесе жолақтары қатарын тудырады. Әр жолақ белгілі бір мөлшерде электрондарды қабылдай алады; егер атомда электрондар көп болса, олар жоғары энергиялы жолақтарға түсіріледі. Сыртқы энергия әсер еткен кезде, кейбір электрондар энергия жинап, жоғарырақ энергиялы жолақтарға өтеді, содан кейін оны босатып, төменгі деңгейге қайта оралады. Сыртқы энергияны тұрақты түрде қолдану арқылы, мысалы, бөлме температурасындағы жылу энергиясы сияқты, электрондардың жолақтарда жоғары және төмен қозғалу саны тең болатын тепе-теңдікке қол жеткізіледі. Материалдардың электрлік қасиеттері энергия жолақтарының таралуына және олардың арасындағы «жолақ аралығына» байланысты әртүрлі болады. Мысалы, бөлме температурасында көптеген металдарда жартылай толтырылған жолақтар болады, бұл электрондарды аз энергия жұмсап қосуға немесе алып тастауға мүмкіндік береді. Электрондар тығыз орналасқанда атомнан атомға оңай қозғалады, осылайша олардың өткізгіштік қабілеті жоғары болады. Керісінше, көптеген пластик материалдарда энергия деңгейлері кеңінен бөлінген, сондықтан электрондарды атомдар арасында жылжыту үшін көп энергия қажет, осылайша олар изоляторлар болып табылады. Жартылай өткізгіштер – екі типті жолақтары бар материалдар, ал қалыпты жұмыс температурасында электрондардың бір бөлігі екі жолақта да болады. Жартылай өткізгіште, аз мөлшерде энергия қосу арқылы көбірек электрондар өткізгіштік жолағына итеріледі, осылайша өткізгіштік артып, ток ағынына мүмкіндік туады. Қолданылатын энергияның полярлігін өзгерту электрондарды кеңірек бөлінген жолақтарға итеріп, оларды изоляторларға айналдырады және ток ағынын тоқтатады. Электрондарды осы екі деңгейдің арасында жылжытуға қажетті энергия мөлшері өте аз болғандықтан, жартылай өткізгіштер аз энергия жұмсап сигналды өзгертуге мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл өзгерту процесі электрондардың екі күйде табиғи түрде таралуына байланысты, сондықтан кішкентай сигналдар халық санының статистикалық көрсеткіштерінің тез өзгеруіне әкеледі. Сыртқы температураның өзгеруіне байланысты, Максвелл-Болцман таралуы бойынша, көбірек электрондар бір немесе екінші күйде табылады, бұл өздігінен сигналды өзгертуге немесе толығымен тоқтатуға себеп болады. Атомның мөлшері мен атомдағы протондардың саны жолақ аралығының күші мен орналасуын болжаудың негізгі көрсеткіштері болып табылады. Кішкентай атомдары және күшті атомдық байланыстары бар материалдар кең жолақ аралықтарымен байланысты. III-V қосылыстарының арасында нитридтер ең үлкен жолақ аралықтарымен сипатталады. Жолақ аралықтары қорыту арқылы өзгертілуі мүмкін, ал Вегард заңы торап тұрақтысы мен тұрақты температурадағы қатты ерітіндінің құрамы арасында сызықтық байланыс бар екенін көрсетеді. Жолақтың өткізгіштік ең төменгі және ең жоғары деңгейлерінің орналасуы жолақтың тікелей немесе жанама екенін анықтайды, мұнда тікелей жолақты материалдар жарықты күшті сіңіреді, ал жанама жолақты материалдар жарықты аз сіңіреді. Сол сияқты, тікелей жолақты материалдар жарықты күшті шығарады, ал жанама жолақты жартылай өткізгіштер жарық шығару қабілеті нашар, егер жарықпен күшті байланысқа түсетін қоспалар қосылмаса.

Quantum mechanics gives rise to a series of distinct electron energy levels, or bands, that vary from material to material. Each band can hold a certain number of electrons; if the atom has more electrons then they are forced into higher energy bands. In the presence of external energy, some of the electrons will gain energy and move back up the energy bands, before releasing it and falling back down to a lower band. With the constant application of external energy, like the thermal energy present at room temperature, an equilibrium is reached where the population of electrons moving up and down the bands is equal. Depending on the distribution of the energy bands, and the "band gap" between them, the materials will have very different electrical properties. For instance, at room temperature most metals have a series of partially filled bands that allow electrons to be added or removed with little applied energy. When tightly packed together, electrons can easily move from atom to atom, making them excellent conductors. In comparison, most plastic materials have widely spaced energy levels that require considerable energy to move electrons between their atoms, making them natural insulators. Semiconductors are those materials that have both types of bands, and at normal operational temperatures, some electrons are in both bands. In semiconductors, adding a small amount of energy pushes more electrons into the conduction band, making them more conductive and allowing current to flow like a conductor. Reversing the polarity of this applied energy pushes the electrons into the more widely separated bands, making them insulators and stopping the flow. Since the amount of energy needed to push the electrons between these two levels is very small, semiconductors allow switching with very little energy input. However, this switching process depends on the electrons being naturally distributed between the two states, so small inputs cause the population statistics to change rapidly. As the external temperature changes, due to the Maxwell–Boltzmann distribution, more and more electrons will normally find themselves in one state or the other, causing the switching action to occur on its own, or stop entirely. The size of the atoms and the number of protons in the atom are the primary predictors of the strength and layout of the bandgaps. Materials with small atoms and strong atomic bonds are associated with wide bandgaps. With regard to III V compounds, nitrides are associated with the largest bandgaps. Bandgaps can be engineered by alloying, and Vegard's law states that there is a linear relation between lattice constant and composition of a solid solution at constant temperature. The position of the conduction band minima versus maxima in the band structure determine whether a bandgap is direct or indirect, where direct bandgap materials absorb light strongly, and indirect bandgaps absorb less strongly. Likewise, direct bandgap material emit light strongly, while indirect bandgap semiconductor are poor light emitters, unless dopants are added which couple strongly to light.

Оптикалық қасиеттері

Толқын ұзындығы мен жолақты аралықтың байланысы – жолақты аралықтағы энергия электронды өткізгіштік жолаққа қоздыру үшін қажетті ең төменгі энергия болып табылады. Осы қоздыруды тудыру үшін фотонның энергиясы кем дегенде осы деңгейде болуы керек. Кері процесте, қоздырылған электрон-тесік жұптары рекомбинацияға ұшырағанда, жолақты аралықтың мөлшеріне сәйкес энергиясы бар фотондар пайда болады. Жолақты аралық – бұл светодиодтардың жарық шығаратын толқын ұзындығын және фотоэлектрлік құрылымдардың ең тиімді жұмыс істейтін толқын ұзындығын анықтайды. Сондықтан, кең жолақты құрылғылар басқа жартылай өткізгіш құрылғыларға қарағанда қысқа толқын ұзындығында тиімдірек болады. Мысалы, GaAs үшін 1,4 эВ жолақты аралық шамамен 890 нм толқын ұзындығына сәйкес келеді, бұл инфрақызыл сәуле (жарық энергиясының эквивалентті толқын ұзындығын 1240 нм·эВ тұрақтысын энергияға (эВ) бөлу арқылы анықтауға болады, яғни 1240 нм·эВ / 1,4 эВ = 886 нм). Күн спектрінің әртүрлі аймақтарына қалыптастырылған қабаттары бар фотоэлектрлік элементтер ең жоғары тиімділік беретіндіктен, қазіргі заманғы көп қималы күн элементтері әртүрлі жолақты аралықтары бар бірнеше қабаттардан тұрады, ал кең жолақты жартылай өткізгіштер инфрақызыл сәуледен тыс спектрдің бөлігін жинау үшін маңызды компонент болып табылады. Жарықтандыруда светодиодтарды қолдану, ең алдымен, кең жолақты нитридті жартылай өткізгіштерді дамытуға байланысты.

Бөлшектеп бөлу өрісі

Көбінесе иондану, жарылыс себебі деп есептеледі. Жарылыс нүктесінде, жартылай өткізгіштегі электрондар тор атомдарымен соқтығысқанда, жеткілікті кинетикалық энергияға ие болып, тасымалдаушыларды жасайды. Кең жолақты жартылай өткізгіштер жоғары кернеуге төзу қабілетімен сипатталады. Бұл, соқтығыс арқылы тасымалдаушыларды жасау үшін қажетті күшті электр өрісіне байланысты. Жоғары электр өрістерінде, дрейф жылдамдығы оптикалық фонондардың шашырауы салдарынан қанығады. Жоғары оптикалық фонон энергиясы, белгілі бір температурада оптикалық фонондардың азаюына алып келеді, демек шашырау орталықтарының саны төмендейді, ал кең жолақты жартылай өткізгіштердегі электрондар жоғары ең жоғары жылдамдыққа жете алады. Дрейф жылдамдығы орташа электр өрісінде максималды мәнге жетеді және жоғары өрістерде аз мөлшерде төмендейді. Интервалдық шашырау – үлкен электр өрістеріндегі қосымша шашырау механизмі, ол өткізгіштік аймақтың ең төменгі жағынан жоғарғы жағына тасымалдаушылардың ауысуына байланысты, онда жолақтың азаятын қисықтығы электрондардың тиімді массасын арттырады және электрондық жылдамдықты төмендетеді. Интервалдық шашыраудың нәтижесінде жоғары электр өрістерінде дрейф жылдамдығының төмендеуі, төмен оптикалық фонон шашырауынан туындаған жоғары қанығу жылдамдығымен салыстырғанда аз. Сондықтан, жалқы қанығу жылдамдығы жоғары болады.

Термиялық қасиеттері

Кремний және басқа да көп таралған материалдардың жолақтық айырмасы 1-ден 1,5 электрон вольтқа (eV) дейін шамамен болады, бұл осындай жартылай өткізгіш құрылғыларды салыстырмалы түрде төмен кернеулермен басқаруға болатынын көрсетеді. Дегенмен, бұл олардың жылу энергиясымен оңай қозуға бейім екенін де білдіреді, бұл олардың қалыпты жұмыс істеуіне бөгдел келтіреді. Бұл кремний негізді құрылғылардың жұмыс температурасын шамамен 100 °C-тан төмен деңгейде ұстауға мәжбүр етеді, себебі одан жоғары температурада құрылғылардың бақылаусыз жылулық қозуы олардың дұрыс жұмыс істеуін қиындатады. Кең жолақты материалдардың жолақтық айырмасы әдетте 2-ден 4 eV-қа дейін болады, бұл оларға 300 °C-қа дейін жоғары температурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Бұл оларды әскери саласында өте тартымды етеді, онда олар кеңінен қолданылады. Балқу температурасы, жылулық кеңею коэффициенті және жылу өткізгіштігі – бұл өңдеу процесінде маңызды екіншілік қасиеттер болып табылады және олар кең жолақты материалдардағы байланыс сипаттарымен байланысты. Мықты байланыстар балқу температурасының жоғарылауына және жылулық кеңею коэффициентінің төмендеуіне әкеледі. Жоғары Дебье температурасы жоғары жылу өткізгіштігін қамтамасыз етеді. Мұндай жылулық қасиеттері болғандықтан, жылу оңай шығарылады.

Қуатты қолдану

Кең жолақты жартылай өткізгіштердің жоғары бұзылу кернеуі үлкен электр өрістерін қажет ететін жоғары қуатты қолданыстарда пайдалы қасиет болып табылады. Жоғары қуатты және жоғары температуралы құрылғылар үшін кубикалық бор нитриді де қолданылады. Мұндай құрылғылардың көпшілігі ғарыш бағдарламалары мен әскери жүйелердегі арнайы қолдануларға арналған. Олар әзірге жалпы қуатты жартылай өткізгіштер нарығында кремнийдің жетекші орнын басып алмады.

Жарық шығаратын диодтар

Ақ диодты жарықдиодтар (LED) көп жағдайда жарықтығы жоғары және қызмет ету мерзімі ұзақ болғандықтан, қыздырғыш шамдардың орнын басты. DVD ойнатқыштардың келесі буыны (Blu-ray және HD DVD форматтары) GaN негізіндегі күлгін лазерлерді пайдаланады.

Трансдукторлар

Үлкен пьезоэлектрлік эффекттер кең жолақты материалдарды түрлендіргіштер ретінде қолдануға мүмкіндік береді.

Жоғары электронды қозғалыс транзисторы

Өте жоғары жылдамдықтағы GaN жоғары интерфейстік заряд тығыздығы құбылысын қолданады. Алюминий нитридінің құны жоғары болғандықтан, ол әзірге көбінесе әскери салаларда қолданылады.