Neben dem Silizium: die Suche nach neuen Halbleiter

Unsere moderne Welt basiert auf Halbleitern. Neben dem Computer, auf Mobiltelefone und Digitalkameras, Halbleiter sind eine Schlüsselkomponente einer wachsenden Anzahl von Geräten. Denken Sie an den LED-Leuchten, Energiesparlampen CFL ersetzen Haus, zusammen mit allem, was eine beleuchtete Anzeige oder Steuerschaltung hat: Autos, Kühlschränke, Öfen, Kaffeemaschinen und mehr.

Während viele Menschen von Silizium und Silicon Valley gehört haben, Sie erkennen nicht, dass dies nur ein Beispiel für eine ganze Klasse von Materialien ist.

Das in allen Arten von Computern und elektronischen Geräten verwendete Silizium hat jedoch seine technischen Grenzen, Zumal Ingenieure versuchen, mit elektronischen Geräten Licht zu erzeugen oder zu verarbeiten. Die Suche nach neuen Halbleitern ist aktiv. Woher kommen diese materiellen Innovationen??

Was ist ein Halbleiter??

Wie der Name schon sagt, Halbleiter sind Materialien, die bei einigen Temperaturen Elektrizität leiten, bei anderen jedoch nicht – im Gegensatz zu den meisten Metallen, die bei jeder Temperatur leitfähig sind, und Isolatoren wie Glas, Kunststoff und Stein, die normalerweise keinen Strom leiten.

jedoch, Dies ist nicht ihr wichtigstes Merkmal. Wenn richtig gebaut, Diese Materialien können die Elektrizität verändern, die durch sie fließt, Begrenzen der Strömungsrichtungen und Verstärken eines Signals.

Die Kombination dieser Eigenschaften ist die Basis für Dioden und Transistoren, aus denen alle unsere modernen Geräte bestehen. Diese Schaltungselemente erfüllen eine Vielzahl von Aufgaben, einschließlich der Umwandlung von Elektrizität aus der Steckdose in etwas, das von Geräten verwendet werden kann, und der Verarbeitung von Informationen in Form von Nullen und Einsen.

Licht kann auch in Halbleitern absorbiert und in elektrischen Strom und Spannung umgewandelt werden. Der Vorgang funktioniert auch umgekehrt, Lichtemission ermöglichen. Verwenden dieser Eigenschaft, Wir machen Laser, LED Lichter, Digitalkameras und viele andere Geräte.

Der Aufstieg von Silizium

Während dies alles sehr modern aussieht, Die ursprünglichen Entdeckungen von Halbleitern stammen aus den 1930er Jahren.

Selen wurde auch verwendet, um einige der ersten Solarzellen in herzustellen 1880.

Alte Selensolarzelle

Selen wurde vom Chemiker Berzelius in entdeckt 1817 Es ist in der 1873 Smith entdeckte, dass sein spezifischer Widerstand eine Funktion der Intensität der auf die Oberfläche des Materials fallenden Beleuchtung war. Die erste Selenzelle wurde von Siemens in hergestellt 1876, und wurde hergestellt, indem zwei dünne Platindrähte auf die Oberfläche einer Glimmerfolie gewickelt wurden, und dann Bedecken der Oberfläche mit einem dünnen Film aus geschmolzenem Selen. Das große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen war notwendig, da die Photoleitfähigkeit ein Oberflächeneffekt ist, während der spezifische Widerstand von Selen ziemlich hoch ist.

Die Selenzelle wurde als Detektor für ein optisches Kommunikationssystem verwendet, das von Alexander Graham Bell in 1879-1880, Der aktive Bereich ist das kleine zentrale Rechteck.

Eine wesentliche Einschränkung war die Unfähigkeit, die verwendeten Elemente zu reinigen. Kleine Verunreinigungen, so klein wie einer in einer Billion, oder was 0,0000000001 Prozent, könnte das Verhalten eines Halbleiters radikal verändern. Als sich die Technologie weiterentwickelte, um reinere Materialien herzustellen, bessere Halbleiter folgten.

Der erste Halbleitertransistor bestand aus Germanium in 1948, Silizium stieg jedoch schnell an und wurde zum dominierenden Halbleitermaterial. Silizium ist mechanisch stark, relativ leicht zu reinigen und hat vernünftige elektrische Eigenschaften.

Es ist auch unglaublich reichlich vorhanden: die 28,2 Prozent der Erdkruste besteht aus Silizium. Dies macht es buchstäblich kostengünstig. Dieser nahezu perfekte Halbleiter hat sich gut für die Herstellung von Dioden und Transistoren bewährt und bildet immer noch die Basis für nahezu jeden Computerchip. Es gab ein Problem: Silizium ist sehr ineffizient bei der Umwandlung von Licht in ein elektrisches Signal oder bei der Umwandlung von Elektrizität in Licht.

Als der primäre Einsatz von Halbleitern in Computerprozessoren lag, die durch Metalldrähte verbunden waren, Das war keine große Sache. ma, als wir uns der Verwendung von Halbleitern in Sonnenkollektoren zuwandten, Sensoren für Kameras und andere lichtbezogene Anwendungen, Diese Schwäche des Siliziums wurde zu einem echten Hindernis für den Fortschritt.

Suche nach neuen Halbleitern

Die Suche nach neuen Halbleitern beginnt im Periodensystem der Elemente, Ein Teil davon befindet sich in der Abbildung rechts.

In der Spalte mit dem Etikett IV , Jedes Element bildet Bindungen, indem es vier seiner Elektronen mit vier Nachbarn teilt. Das stärkste dieser Elemente bindet die “Gruppe IV” Es ist für Kohlenstoff (C), Diamanten bilden. Diamanten sind gute Isolatoren (und transparent) weil Kohlenstoff diese Elektronen festhält. Gewöhnlich, Ein Diamant würde brennen, bevor er elektrischen Strom durch ihn drücken könnte. Kürzlich wurde durch Strukturierung der Kohlenstoffatome in dünnen Gittern mit Graphen die entgegengesetzte Lösung erreicht, ebenso transparent, beständig aber gut leitend.

Die Elemente am unteren Rand der Spalte, Teich (Sn) und führen (Pb), Sie sind viel metallischer. Wie die meisten Metalle, Sie halten ihre Bindungselektronen so locker, dass die Elektronen bei einer geringen Energiemenge frei sind, ihre Bindungen zu lösen und durch das Material zu fließen.

Silizium (und) und Germanium (Geben) Sie liegen dazwischen und sind folglich Halbleiter. Aufgrund einer Eigenart in der Art und Weise sind beide strukturiert, jedoch, Sie sind ineffizient beim Austausch von Elektrizität mit Licht.

Materialien finden, die gut mit Licht funktionieren, wir müssen von einem Teil der Spalte der Gruppe IV zum anderen übergehen. Durch Kombinieren von Elementen der Spalten “Gruppe III” e “Gruppe V.” Man erhält Materialien mit halbleitenden Eigenschaften. Diese Materialien “III-V”, wie Galliumarsenid (GaAs), Sie werden zur Herstellung von Lasern verwendet, LED Lichter, Fotodetektoren (wie in Kameras gefunden) und viele andere Geräte. Sie machen das, was Silizium nicht gut macht.

Aber warum wird Silizium für Sonnenkollektoren verwendet, wenn es so schwierig ist, Licht in Elektrizität umzuwandeln?? Kosten. Silizium kann durch eine Schaufel voller Schmutz raffiniert werden, die sich überall auf der Erdoberfläche angesammelt hat; Die Bausteine ​​von III-V-Verbindungen sind viel seltener.

Ein Standard-Silizium-Solarpanel wandelt Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von um 10 al 15%. Ein III-V-Panel kann dreimal effizienter sein, aber es kostet oft mehr als dreimal so viel. III-V-Materialien sind auch spröder als Silizium, Dies macht es schwierig, mit breiten Paneelen zu arbeiten.

jedoch, Die höhere Elektronengeschwindigkeit von III-V-Materialien ermöglicht den Aufbau viel schnellerer Transistoren, mit Geschwindigkeiten, die hunderte Male schneller sind als die in Computern. Sie können den Weg für das Ersetzen von Kabeln in Computern durch Lichtstrahlen ebnen, Deutliche Verbesserung der Geschwindigkeit des Datenflusses.

Neben den III-V-Materialien, Es werden auch II-VI-Materialien verwendet. Zu diesen Materialien gehören einige der im 19. Jahrhundert erforschten Sulfide und Oxide. Kombinationen von Zink, Cadmium und Quecksilber mit Tellur wurden verwendet, um Infrarotkameras und Solarzellen herzustellen. Diese Materialien sind notorisch spröde und sehr schwer herzustellen.

Die Zukunft der Halbleiter

Wie neue Halbleitermaterialien verwendet werden könnten?

Hochleistungs-III-V-Halbleiterelektronik (Galliumnitrid) Es wird das Rückgrat unseres Stromnetzes sein, Umwandlung der Leistung für die Hochspannungsübertragung und umgekehrt. Die neuen Materialien (Antimonidi e Bismutoidi) Sie weisen den Weg zu Infrarotdetektion ( http://www.mdpi.com/1424-8220/13/4/5054/htm ) für medizinische Zwecke, Militär-, Zivilisten, sowie neue Telekommunikationsmöglichkeiten.

Und was ist mit dem alten Standby, Silizium? Ihre Unfähigkeit, Licht effizient zu nutzen, bedeutet nicht, dass sie für den Mülleimer der Geschichte bestimmt ist. Forscher hauchen Silizium neues Leben ein, Erstellen "Siliziumphotonik" ( http://reap.ece.tufts.edu/ ) um das Licht besser zu verwalten, anstatt nur Elektronen auszutauschen.

Eine Methode ist die Einbeziehung kleiner Mengen eines anderen Elements der Gruppe IV, Teich, in Silizium oder Germanium. Dies ändert ihre Eigenschaften, Dadurch können sie Licht effizienter absorbieren und emittieren.

Zukünftige Forschungen werden uns sagen, dass die erfolgreichsten Richtungen wert sind.

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