Outre le silicium: la recherche de nouveaux semi-conducteurs

Notre monde moderne est basé sur des semi-conducteurs. En plus de l'ordinateur, aux téléphones portables et appareils photo numériques, les semi-conducteurs sont un élément clé d'un nombre croissant d'appareils. Pensez aux lumières LED, lampes fluorescentes compactes économes en énergie remplacent la maison, ainsi que tout ce qui a un affichage lumineux ou un circuit de commande: voitures, réfrigérateurs, fours, une machine à café et plus.

Alors que beaucoup de gens ont entendu parler de la Silicon et la Silicon Valley, Ils ne réalisent pas que c'est un exemple d'une classe entière de matériaux.

Mais silicium utilisé dans tous les types d'ordinateurs électroniques et de gadgets a ses limites techniques, en particulier parce que les ingénieurs tentent d'utiliser des dispositifs électroniques pour produire ou traiter la lumière. La recherche de nouveaux semi-conducteurs est actif. Où ces innovations de matériaux?

Qu'est-ce qu'un semi-conducteur?

Comme son nom l'indique, Semi-conducteurs sont des matériaux qui conduisent l'électricité à certaines températures, mais pas à d'autres – contrairement à la plupart des métaux, qui sont conducteurs à toute température, et des isolants tels que du verre, plastique et pierre, ils ne sont généralement conduit pas l'électricité.

Toutefois, ce n'est pas leur trait le plus important de. Si elle est construite correctement, ces matériaux peuvent changer l'électricité qui se déplace à travers les, limitant les directions dans lesquelles les flux et amplifier un signal.

La combinaison de ces propriétés est la base des diodes et des transistors qui composent tous nos gadgets modernes. Ces éléments de circuit exécutent une multitude de tâches, y compris la conversion de l'électricité à partir de la prise murale en quelque chose utilisable par les dispositifs et le traitement de l'information sous forme de zéro et un.

La lumière peut également être absorbée dans le semi-conducteur et transformée en courant électrique et la tension. Le processus fonctionne bien dans le sens inverse, permettant l'émission de lumière. En utilisant cette propriété, Nous fabriquons laser, port et LED, appareils photo numériques et de nombreux autres appareils.

La montée de silicium

Bien que tout cela semble très moderne, découverte originale de retour date semi-conducteur pour les années 30.

Sélénium a également été utilisé pour faire quelques-unes des premières cellules solaires 1880.

sélénium de cellules solaires ancienne

Sélénium a été découverte par le chimiste Berzelius en 1817 et 1873 Smith a découvert que sa résistivité est une fonction de l'intensité d'éclairage tombant sur la surface du matériau. La première cellule de sélénium a été fabriqué par Siemens 1876, et elle a été faite par enroulement de deux fils de platine mince sur la surface d'une feuille de mica, et ensuite à recouvrir la surface d'un film mince de sélénium fondu. Le grand rapport surface-volume est nécessaire parce que la photoconductivité est un effet de surface, tandis que la résistivité de sélénium est assez élevé.

La cellule de sélénium a été utilisé en tant que détecteur pour un système de communication optique développé par Alexander Graham Bell 1879-1880, la zone active est le petit rectangle central.

Une limitation clé a été l'incapacité de purifier les éléments utilisés. De petites impuretés, petit que celui d'un gazillion, ou 0,0000000001 pour cent, Ils pourraient changer radicalement le comportement d'un semi-conducteur. Alors que la technologie a évolué pour produire des matériaux plus purs, Ils ont suivi de meilleurs semi-conducteurs.

Le premier transistor à semi-conducteur a été réalisée en germanium dans 1948, mais le silicium a augmenté rapidement pour devenir le matériau semi-conducteur dominant. La tranche de silicium est mécaniquement résistante, relativement facile à nettoyer et a des propriétés électriques raisonnables.

Il est également très abondante: la 28,2 pour cent de la croûte terrestre est du silicium. Cela rend littéralement bon marché. Ce presque parfait semi-conducteurs a bien fonctionné pour la création de diodes et transistors et forme encore la base de la quasi-totalité des puces informatiques. Il y avait un problème: le silicium est très inefficace à convertir la lumière en un signal électrique ou de transformer l'électricité en lumière.

Lorsque l'utilisation principale des semi-conducteurs a été dans les processeurs informatiques reliés par des fils métalliques, Ce ne fut pas une grosse affaire. mère, alors que nous avançons vers l'utilisation de semi-conducteurs dans les panneaux solaires, des capteurs pour caméras et d'autres applications liées à la lumière, Cette faiblesse du silicium est devenu un véritable obstacle au progrès.

Trouver de nouveaux semi-conducteurs

La recherche de nouveaux semi-conducteurs commence sur la table périodique des éléments, dont une partie se trouve dans la figure de droite.

Dans la colonne intitulée IV , chaque forment des liaisons d'éléments en partageant des électrons avec quatre de ses quatre voisins. La plus forte de ces obligations d'éléments “groupe IV” Il est pour le carbone (C), former des diamants. Les diamants sont de bons isolants (et transparent) parce que le carbone conserve ces électrons étroitement. en général, un diamant de brûlure avant de forcer un courant électrique à travers elle. structurer récemment les atomes de carbone dans des réseaux minces, nous sommes arrivés à la solution face à graphène, également transparent, forte et hautement conducteur.

Les éléments de la partie inférieure de la colonne, étang (Sn) et le plomb (Pb), Ils sont beaucoup plus métal. Comme la plupart des métaux, ils gardent leurs électrons de liaison de façon lâche que quand il est appliqué une petite quantité d'énergie les électrons sont libres de se rompre leurs liaisons et l'écoulement à travers le matériau.

silicium (et) et de germanium (donner) Ils sont au milieu et sont donc des semi-conducteurs. En raison d'une bizarrerie de la manière à la fois sont structurés, Toutefois, Ils sont inefficaces dans l'échange d'électricité avec la lumière.

Pour trouver des matériaux qui fonctionnent bien avec la lumière, nous devons passer d'une partie du groupe IV Colonne. La combinaison des éléments des colonnes “groupe III” e “groupe V” Vous obtenu par des matériaux avec des propriétés semi-conductrices. ces matériaux “III-V”, tels que l'arséniure de gallium (GaAs), Ils sont utilisés pour réaliser laser, port et LED, photodétecteurs (que l'on trouve dans les appareils photo numériques) et bien d'autres appareils. Ils font ce que le silicium est pas bon.

Mais parce que le silicium est utilisé pour les panneaux solaires s'il est si difficile de convertir la lumière en électricité? coût. Le silicium peut être affiné par une pelle pleine de poussière recueillie partout sur la surface de la Terre; Les éléments constitutifs des composés III-V sont beaucoup plus rares.

Un panneau solaire en silicium norme convertit la lumière avec une efficacité de 10 Al 15%. Un groupe III-V peut être trois fois plus efficace, mais il en coûte souvent plus de trois fois plus. Les matériaux III-V sont également plus fragile que le silicium, ce qui les rend difficiles à travailler avec de grands panneaux.

Toutefois, l'augmentation de la vitesse des électrons des matériaux III-V permet la construction de très rapide transistors, à des vitesses des centaines de fois plus élevés que ceux trouvés dans les ordinateurs. Ils peuvent ouvrir la voie pour le remplacement des câbles à l'intérieur de l'ordinateur avec des faisceaux lumineux, de manière significative l'amélioration de la vitesse de flux de données.

En plus des matériaux III-V, Il y a aussi des matériaux II-VI en cours d'utilisation. Ces matériaux comprennent certains des sulfures et oxydes de 800 recherchés. Combinaisons zinc, le cadmium et le mercure dans le tellure ont été utilisés pour créer des caméras infrarouges et des cellules solaires. Ces matériaux sont notoirement fragiles et très difficiles à fabriquer.

L'avenir des semi-conducteurs

Comme les nouveaux matériaux semi-conducteurs pourraient être utilisés?

La haute puissance à semi-conducteur III-V électronique (nitrure de gallium) Ce sera l'épine dorsale de notre système de réseau électrique, convertir la puissance de transmission à haute tension et vice-versa. De nouveaux matériaux (antimonidi e bismutoidi) Ils ouvrent la voie à détection infrarouge ( http://www.mdpi.com/1424-8220/13/4/5054/htm ) pour des raisons médicales, militaire, civils, ainsi que de nouvelles possibilités de télécommunications.

Et le vieux veille, silicium? Son incapacité à tirer profit de la lumière ne efficace signifie pas qu'il est destiné au panier poussière de l'histoire. Les chercheurs donnent une nouvelle vie au silicium, la création « photonique sur silicium » ( http://reap.ece.tufts.edu/ ) pour mieux gérer la lumière, plutôt que de simplement échanger des électrons.

Une méthode est l'inclusion de petites quantités d'un autre élément du groupe IV, étang, en silicium ou du germanium. Cela change leurs propriétés, leur permettant d'absorber et émettre de la lumière plus efficacement.

Les recherches futures nous dira Vali il y a des directions qui ont été plus de succès.

Amilcare