Além do silício: a busca de novos semicondutores

Nosso mundo moderno é baseado em semicondutores. Além do computador, para telefones celulares e câmeras digitais, semicondutores são um componente-chave de um número crescente de dispositivos. Pense nas luzes LED, energia eficiente lâmpadas CFL estão substituindo casa, juntamente com tudo o que tem um visor iluminado ou um circuito de controle: carros, frigoríficos, fornos, máquinas de café e muito mais.

Embora muitas pessoas já ouviu falar de Silício e Vale do Silício, Eles não percebem que este é apenas um exemplo de uma classe inteira de materiais.

Mas o silício usado em todos os tipos de computadores eletrônicos e gadgets tem seus limites técnicos, em particular porque os engenheiros estão tentando usar dispositivos eletrônicos para produzir ou processar a luz. A busca de novos semicondutores está ativo. Onde vai essas inovações de materiais?

O que é um semicondutor?

Tal como o nome sugere, Semicondutores são materiais que conduzem eletricidade para algumas temperaturas, mas não para os outros – diferentemente da maioria dos metais, que são condutoras a qualquer temperatura, e isoladores, tais como vidro, plástico e pedra, eles geralmente não conduzem eletricidade.

contudo, esta não é a sua característica mais importante. Se construído corretamente, estes materiais podem mudar a energia elétrica que se move através deles, limitando as direcções nas quais os fluxos e amplificar um sinal.

A combinação dessas propriedades é a base de diodos e transistores que compõem todos os nossos aparelhos modernos. Estes elementos do circuito realizar uma multiplicidade de tarefas, incluindo a conversão de electricidade a partir da tomada de parede em algo utilizável por os dispositivos e o processamento de informações sob a forma de zero e um.

A luz também pode ser absorvido no semicondutor e transformado em corrente eléctrica e a tensão. O processo funciona bem em sentido inverso, permitindo a emissão de luz. Usando esta propriedade, Nós fabricamos a laser, porta e LED, câmeras digitais e muitos outros dispositivos.

O aumento de silício

Enquanto tudo isso soa muito moderno, data original de descobertas de semicondutores de volta para os anos 30.

Selênio também foi usado para fazer algumas das primeiras células solares em 1880.

selênio Célula solar antigo

Selênio foi descoberto pelo químico Berzelius em 1817 e 1873 Smith descobriu que sua resistividade foi uma função de intensidade da iluminação que incide sobre a superfície do material. A primeira célula de selénio foi fabricado por Siemens em 1876, e foi feito por enrolamento de dois fios de platina finas sobre a superfície de uma folha de mica, e, em seguida, que cobre a superfície com um filme fino de fundido de selénio. O rácio de grande superfície para volume era necessária porque o fotocondutividade é um efeito de superfície, enquanto a resistividade selênio é bastante elevado.

A célula de selénio foi usado como um detector para um sistema de comunicação óptico desenvolvido por Alexander Graham Bell em 1879-1880, a área activa é o pequeno rectângulo centro.

Uma limitação fundamental foi a incapacidade de purificar os elementos utilizados. impurezas pequenas, pequena como uma de um gazillion, ou 0,0000000001 por cento, Eles poderiam mudar radicalmente o comportamento de um semicondutor. Medida que a tecnologia evoluiu para produzir materiais mais puros, Eles seguiram melhores semicondutores.

O primeiro transistor de semicondutores era feito de germânio em 1948, mas silício subiu rapidamente para se tornar o material semicondutor dominante. A bolacha de silício é mecanicamente forte, relativamente fácil de limpar e tem propriedades elétricas razoáveis.

Também é incrivelmente abundante: o 28,2 por cento da crosta terrestre é o silício. Isso torna literalmente barato. Este semicondutores quase perfeito funcionou bem para a criação de diodos e transistores e ainda constitui a base de quase todos os chips de computador. Houve um problema: o silício é muito ineficiente em converter a luz em sinais eléctricos ou para transformar a energia eléctrica em luz.

Quando o uso primário dos semicondutores foi em processadores de computador ligado por fios metálicos, Este não foi um grande negócio. mamãe, enquanto nós estávamos caminhando para o uso de semicondutores em painéis solares, sensores para câmeras e outros aplicativos relacionados à luz, Esta fraqueza do silício tornou-se um verdadeiro obstáculo ao progresso.

Encontrar novos semicondutores

A busca de novos semicondutores começa na tabela periódica dos elementos, uma parte do que é na figura à direita.

Na coluna marcada IV , cada formulário elemento títulos compartilhando elétrons com quatro de seus quatro vizinhos. O mais forte desses laços de elementos “grupo IV” É de carbono (C), formando diamantes. Os diamantes são bons isolantes (e transparente) porque retém carbono intimamente estes electrões. geralmente, um diamante queimadura antes de forçar uma corrente elétrica através dele. Recentemente estruturação dos átomos de carbono em grelhas finas que tenham chegado na solução oposto com grafeno, igualmente transparente, forte e altamente condutor.

Os elementos na parte inferior da coluna, lagoa (Sn) e levar (Pb), Eles são muito mais do metal. Como a maioria dos metais, eles mantêm seus elétrons de ligação tão solto que, quando é aplicada uma pequena quantidade de energia que os elétrons estão livres para quebrar suas ligações e fluxo através do material.

silício (e) e germânio (dar) Eles estão no meio e, portanto, são semicondutores. Devido a uma peculiaridade da forma ambos estão estruturados, contudo, Eles são ineficientes na troca de energia com a luz.

Para encontrar materiais que funcionam bem com luz, temos de ir de uma parte da coluna Grupo IV. Combinando elementos das colunas “grupo III” e “grupo V” Está obtido por materiais com propriedades semicondutoras. estes materiais “III-V”, tais como o arsenieto de gálio (GaAs), Eles são usados ​​para realizar a laser, porta e LED, fotodetectores (como encontrado em câmeras digitais) e muitos outros dispositivos. Eles fazem o que o silício não é bom.

Mas porque o silicone é usado para os painéis solares se é tão difícil converter luz em eletricidade? custo. O silício pode ser refinado por um pá cheia de sujidade recolhida a partir de qualquer lugar na superfície da Terra; Os elementos constitutivos de compostos III-V são muito mais raro.

Um painel solar em silício padrão converte a luz solar com eficiência a partir de 10 ai 15%. Um painel III-V pode ser três vezes mais eficiente, mas que muitas vezes custa mais do que três vezes mais. Os materiais III-V também são mais frágeis do que o silício, tornando-os difíceis de trabalhar com grandes painéis.

contudo, o aumento da velocidade dos electrões dos materiais III-V permite a construção de transistores muito mais rápidos, em velocidades de centenas de vezes maiores do que os encontrados em computadores. Eles podem abrir o caminho para a substituição de cabos dentro do computador com feixes de luz, melhorar significativamente a velocidade de fluxo de dados.

Em adição aos materiais III-V, Há também materiais II-VI em uso. Estes materiais incluem alguns dos sulfetos e óxidos em 800 procuraram. zinco Combinações, cádmio e mercúrio no telúrio foram usadas para criar câmaras de infravermelhos e células solares. Estes materiais são notoriamente frágil e muito difícil de fabricar.

O futuro de semicondutores

Como poderia ser usado novos materiais semicondutores?

A electrónica de semicondutores III-V de alta potência (nitreto de gálio) Será a espinha dorsal da nossa rede de electricidade, converter a energia para a transmissão de alta tensão e vice-versa. novos materiais (antimonidi e bismutoidi) Eles estão liderando o caminho para detecção de infravermelhos ( http://www.mdpi.com/1424-8220/13/4/5054/htm ) para uso médico, militar, civis, bem como novas possibilidades para telecomunicações.

E sobre o velho standby, silício? Sua incapacidade de aproveitar a luz de forma eficiente não significa que ele está destinado a poeira cesta de história. Os pesquisadores estão dando nova vida ao silício, criando “fotónica de silício” ( http://reap.ece.tufts.edu/ ) para gerir melhor a luz, em vez de simplesmente trocar elétrons.

Um método é a inclusão de pequenas quantidades de um outro elemento do grupo IV, lagoa, em silício ou germânio. Isso muda as suas propriedades, o que lhes permite absorver e emitir luz de forma mais eficiente.

A investigação futura irá dizer vali existem orientações que têm sido mais bem sucedido.

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