IzpÄtiet elektronisko materiÄlu pasauli, pievÄrÅ”oties pusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ijai, galvenajiem materiÄliem un nÄkotnes tendencÄm.
Elektroniskie materiÄli: PusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ija
PusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ija veido moderno elektronikas pamatu, nodroÅ”inot visu, sÄkot no viedtÄlruÅiem un datoriem lÄ«dz medicÄ«nas ierÄ«cÄm un automaŔīnu sistÄmÄm. Izpratne par materiÄliem un procesiem, kas saistÄ«ti ar pusvadÄ«tÄju izgatavoÅ”anu, ir bÅ«tiska ikvienam, kas iesaistÄ«ts elektronikas nozarÄ, sÄkot no inženieriem un zinÄtniekiem lÄ«dz uzÅÄmumu profesionÄļiem un investoriem. Å Ä« visaptveroÅ”Ä rokasgrÄmata sniedz padziļinÄtu ieskatu elektroniskajos materiÄlos, koncentrÄjoties uz pusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£iju un tÄs globÄlo ietekmi.
Kas ir elektroniskie materiÄli?
Elektroniskie materiÄli ir vielas ar elektriskÄm Ä«paŔībÄm, kas padara tÄs piemÄrotas lietoÅ”anai elektroniskÄs ierÄ«cÄs. Å os materiÄlus var plaÅ”i klasificÄt kÄ vadÄ«tÄjus, izolatorus un pusvadÄ«tÄjus.
- VadÄ«tÄji, piemÄram, varÅ” un alumÄ«nijs, ļauj elektrÄ«bai viegli plÅ«st caur tiem.
- Izolatori, piemÄram, stikls un keramika, pretojas elektrÄ«bas plÅ«smai.
- PusvadÄ«tÄji, piemÄram, silÄ«cijs un germÄnijs, ir vadÄ«tspÄja starp vadÄ«tÄjiem un izolatoriem. To vadÄ«tspÄju var kontrolÄt ar ÄrÄjiem faktoriem, padarot tos ideÄli piemÄrotus tranzistoru un citu elektronisko komponentu veidoÅ”anai.
Å Ä« rokasgrÄmata galvenokÄrt koncentrÄjas uz pusvadÄ«tÄjiem, Ä«paÅ”i tiem, ko izmanto integrÄlo shÄmu (IC) izgatavoÅ”anÄ.
PusvadÄ«tÄju materiÄli: Galvenie spÄlÄtÄji
Silīcijs (Si)
SilÄ«cijs ir lÄ«dz Å”im visplaÅ”Äk izmantotais pusvadÄ«tÄju materiÄls. TÄ daudzums, salÄ«dzinoÅ”i zemÄs izmaksas un labi izveidotie izgatavoÅ”anas procesi ir padarÄ«juÅ”i to par dominÄjoÅ”o materiÄlu elektronikas nozarÄ. SilÄ«cija spÄja veidot dabÄ«gu oksÄ«du (SiO2), kas ir lielisks izolators, ir arÄ« liels ieguvums.
Silīcija priekŔrocības:
- Daudzums: SilÄ«cijs ir otrais visvairÄk sastopamais elements Zemes garozÄ.
- Izmaksu efektivitÄte: SilÄ«cija apstrÄdes tehnoloÄ£ija ir nobriedusi un salÄ«dzinoÅ”i lÄta.
- Lielisks izolators: SilÄ«cija dioksÄ«ds (SiO2) ir augstas kvalitÄtes izolators, ko izmanto MOSFET ierÄ«cÄs.
- TermiskÄ stabilitÄte: Laba termiskÄ stabilitÄte tipiskÄs darba temperatÅ«rÄs.
Silīcija trūkumi:
- ZemÄka elektronu mobilitÄte: SalÄ«dzinot ar citiem pusvadÄ«tÄjiem, silÄ«cijam ir zemÄka elektronu mobilitÄte, kas ierobežo ierÄ«Äu Ätrumu.
- NetieÅ”Ä joslu sprauga: SilÄ«cijam ir netieÅ”Ä joslu sprauga, padarot to mazÄk efektÄ«vu optoelektroniskÄm lietojumprogrammÄm (piem., LED, lÄzeri).
GermÄnijs (Ge)
GermÄnijs bija viens no pirmajiem pusvadÄ«tÄju materiÄliem, ko izmantoja tranzistoros, taÄu tas ir lielÄ mÄrÄ aizstÄts ar silÄ«ciju tÄ zemÄkÄs joslu spraugas un augstÄkÄs jutÄ«bas pret temperatÅ«ru dÄļ. TomÄr germÄnijs joprojÄm tiek izmantots dažÄs specializÄtÄs lietojumprogrammÄs, piemÄram, augstfrekvences ierÄ«cÄs un infrasarkanajos detektoros.
GermÄnija priekÅ”rocÄ«bas:
- AugstÄka elektronu un caurumu mobilitÄte: GermÄnijam ir augstÄka elektronu un caurumu mobilitÄte nekÄ silÄ«cijam, padarot to piemÄrotu Ätrgaitas ierÄ«cÄm.
GermÄnija trÅ«kumi:
- ZemÄka joslu sprauga: GermÄnijam ir zemÄka joslu sprauga nekÄ silÄ«cijam, izraisot augstÄku noplÅ«des strÄvu istabas temperatÅ«rÄ.
- AugstÄkas izmaksas: GermÄnijs ir dÄrgÄks nekÄ silÄ«cijs.
- TermiskÄ nestabilitÄte: MazÄk stabils nekÄ silÄ«cijs augstÄkÄs temperatÅ«rÄs.
Gallija Arsenīds (GaAs)
Gallija arsenÄ«ds ir savienojuma pusvadÄ«tÄjs, kas piedÄvÄ labÄku veiktspÄju nekÄ silÄ«cijs noteiktÄs lietojumprogrammÄs. Tam ir augstÄka elektronu mobilitÄte nekÄ silÄ«cijam un tieÅ”Ä joslu sprauga, padarot to piemÄrotu augstfrekvences ierÄ«cÄm, optoelektroniskÄm ierÄ«cÄm (piem., LED, lÄzeri) un saules baterijÄm.
Gallija Arsenīda priekŔrocības:
- Augsta elektronu mobilitÄte: GaAs ir ievÄrojami augstÄka elektronu mobilitÄte nekÄ silÄ«cijam, nodroÅ”inot ÄtrÄkas ierÄ«ces.
- TieÅ”Ä joslu sprauga: GaAs ir tieÅ”Ä joslu sprauga, padarot to efektÄ«vu optoelektroniskÄm lietojumprogrammÄm.
- DaļÄji izolÄjoÅ”i substrÄti: GaAs substrÄtus var padarÄ«t daļÄji izolÄjoÅ”us, samazinot parazÄ«tisko kapacitÄti augstfrekvences Ä·ÄdÄs.
Gallija Arsenīda trūkumi:
- AugstÄkas izmaksas: GaAs ir dÄrgÄks nekÄ silÄ«cijs.
- ZemÄka caurumu mobilitÄte: GaAs ir zemÄka caurumu mobilitÄte nekÄ silÄ«cijam.
- Trausls: GaAs ir trauslÄks un grÅ«tÄk apstrÄdÄjams nekÄ silÄ«cijs.
- Toksiskums: Arsens ir toksisks, radot vides un droŔības problÄmas.
Citi savienojumu pusvadÄ«tÄji
Papildus gallija arsenÄ«dam citus savienojumu pusvadÄ«tÄjus izmanto specializÄtÄs lietojumprogrammÄs. Tie ietver:
- Indija FosfÄ«ds (InP): Izmanto Ätrgaitas optoelektroniskÄs ierÄ«cÄs un augstfrekvences Ä·ÄdÄs.
- Gallija NitrÄ«ds (GaN): Izmanto augstas jaudas un augstfrekvences ierÄ«cÄs, kÄ arÄ« LED un lÄzeros.
- SilÄ«cija KarbÄ«ds (SiC): Izmanto augstas jaudas un augstas temperatÅ«ras ierÄ«cÄs.
- Dzīvsudraba Kadmija Tellurīds (HgCdTe): Izmanto infrasarkanajos detektoros.
PusvadÄ«tÄju izgatavoÅ”anas procesi: No plÄksnes lÄ«dz mikroshÄmai
PusvadÄ«tÄju izgatavoÅ”ana ir sarežģīts un daudzpakÄpju process, kas ietver pusvadÄ«tÄju plÄksnes pÄrveidoÅ”anu par funkcionÄlu integrÄto shÄmu. Galvenie soļi ietver:
PlÄkÅ”Åu sagatavoÅ”ana
Process sÄkas ar viendabÄ«gu kristÄlisku pusvadÄ«tÄju inkota audzÄÅ”anu, parasti izmantojot Czochralska vai peldoÅ”Äs zonas procesu. PÄc tam inkots tiek sagriezts plÄnÄs plÄksnÄs, kuras tiek pulÄtas, lai izveidotu gludu un bezdefektu virsmu.
FotolitogrÄfija
FotolitogrÄfija ir svarÄ«gs solis, kurÄ modeļi tiek pÄrnesti uz plÄksni. PlÄksne tiek pÄrklÄta ar fotorezistÄjoÅ”u materiÄlu, kas ir jutÄ«gs pret gaismu. Virs plÄksnes tiek novietota maska ar vÄlamo modeli, un plÄksne tiek pakļauta ultravioletajai gaismai. PakļautÄs fotorezistÄjoÅ”Äs vietas tiek vai nu noÅemtas (pozitÄ«vais fotorezists), vai paliek (negatÄ«vais fotorezists), izveidojot uz plÄksnes rakstainu slÄni.
KodÄÅ”ana
KodÄÅ”ana tiek izmantota, lai noÅemtu materiÄlu no plÄksnes vietÄs, ko nav aizsargÄjis fotorezists. Ir divi galvenie kodÄÅ”anas veidi: mitrÄ kodÄÅ”ana un sausÄ kodÄÅ”ana. MitrÄ kodÄÅ”anÄ materiÄla noÅemÅ”anai tiek izmantoti Ä·Ä«miski Ŕķīdumi, savukÄrt sausÄ kodÄÅ”anÄ materiÄla noÅemÅ”anai tiek izmantota plazma.
DopÄÅ”ana
DopÄÅ”ana ir procesu, kurÄ pusvadÄ«tÄju materiÄlÄ tiek ieviesti piemaisÄ«jumi, lai mainÄ«tu tÄ elektrisko vadÄ«tspÄju. Divi galvenie dopÄÅ”anas veidi ir n-tipa dopÄÅ”ana (elementu ievieÅ”ana ar vairÄk valences elektroniem, piemÄram, fosforu vai arsÄnu) un p-tipa dopÄÅ”ana (elementu ievieÅ”ana ar mazÄk valences elektroniem, piemÄram, boru vai galliju). DopÄÅ”ana parasti tiek panÄkta ar jonu implantÄciju vai difÅ«ziju.
PlÄno slÄÅu nogulsnÄÅ”ana
PlÄno slÄÅu nogulsnÄÅ”ana tiek izmantota, lai uz plÄksnes nogulsnÄtu dažÄdu materiÄlu plÄnus slÄÅus. IzplatÄ«tÄs nogulsnÄÅ”anas metodes ietver:
- ĶīmiskÄ tvaiku nogulsnÄÅ”ana (CVD): Uz plÄksnes virsmas notiek Ä·Ä«miska reakcija, nogulsnÄjot plÄnu slÄni.
- FiziskÄ tvaiku nogulsnÄÅ”ana (PVD): MateriÄls tiek iztvaicÄts vai izÅ”auts no mÄrÄ·a un nogulsnÄts uz plÄksnes.
- Atomu slÄÅu nogulsnÄÅ”ana (ALD): PlÄns slÄnis tiek nogulsnÄts slÄnis pa slÄnim, nodroÅ”inot precÄ«zu slÄÅa biezuma un sastÄva kontroli.
MetalizÄcija
MetalizÄcija tiek izmantota, lai izveidotu elektriskus savienojumus starp dažÄdÄm shÄmas daļÄm. MetÄla slÄÅi, parasti alumÄ«nijs vai varÅ”, tiek nogulsnÄti un raksturoti, lai veidotu savienojumus.
TestÄÅ”ana un iepakoÅ”ana
PÄc izgatavoÅ”anas plÄksnes tiek testÄtas, lai nodroÅ”inÄtu, ka shÄmas darbojas pareizi. BojÄtÄs shÄmas tiek izmestas. FunkcionÄlÄs shÄmas pÄc tam tiek atdalÄ«tas no plÄksnes (grieÅ”ana) un iepakotas atseviŔķÄs mikroshÄmÄs. Iepakojums aizsargÄ mikroshÄmu no vides un nodroÅ”ina elektriskus savienojumus ar Ärpasauli.
GalvenÄs pusvadÄ«tÄju ierÄ«ces
Diodes
Diodes ir divu terminÄlu elektroniskais komponents, kas galvenokÄrt vada strÄvu vienÄ virzienÄ. Diodes tiek izmantotas dažÄdÄs lietojumprogrammÄs, piemÄram, taisngriežos, sprieguma regulatoros un slÄdžos.
Tranzistori
Tranzistors ir trÄ«s terminÄlu elektroniskais komponents, ko var izmantot kÄ slÄdzi vai pastiprinÄtÄju. Divi galvenie tranzistoru veidi ir:
- BipolÄrie savienojumu tranzistori (BJT): BJT izmanto gan elektronus, gan caurumus strÄvas vadÄ«Å”anai.
- Lauka efektu tranzistori (FET): FET izmanto elektrisko lauku, lai kontrolÄtu strÄvas plÅ«smu. VisizplatÄ«tÄkais FET veids ir metÄla-oksÄ«da-pusvadÄ«tÄju lauka efektu tranzistors (MOSFET).
MOSFET ir moderno digitÄlo Ä·Äžu darba zirgi. Tos izmanto visÄ, sÄkot no mikroprocesoriem lÄ«dz atmiÅas mikroshÄmÄm.
IntegrÄlÄs shÄmas (IC)
IntegrÄlÄ shÄma (IC), pazÄ«stama arÄ« kÄ mikroshÄma vai Äips, ir miniaturizÄta elektroniskÄ shÄma, kas satur daudz komponentu, piemÄram, tranzistorus, diodes, rezistorus un kondensatorus, kas izgatavoti uz viena pusvadÄ«tÄju substrÄta. IC ļauj radÄ«t sarežģītas elektroniskÄs sistÄmas mazÄ formÄ.
MÅ«ra Likums un mÄrogoÅ”ana
MÅ«ra likums, ko 1965. gadÄ formulÄjis Gordons MÅ«rs, nosaka, ka transistoru skaits uz mikroshÄmas dubultojas aptuveni ik pÄc diviem gadiem. Tas ir novedis pie dramatiska elektronisko ierÄ«Äu veiktspÄjas un iespÄju pieauguma pÄdÄjÄs desmitgadÄs. TomÄr, tÄ kÄ tranzistori kļūst arvien mazÄki, ir arvien grÅ«tÄk uzturÄt MÅ«ra likumu. IzaicinÄjumi ietver:
- KvantitatÄ«vie efekti: Ä»oti mazos izmÄros kvantitatÄ«vie efekti kļūst nozÄ«mÄ«gi un var ietekmÄt ierÄ«Äu veiktspÄju.
- Jaudas izkliede: TÄ kÄ tranzistori kļūst blÄ«vÄki, palielinÄs jaudas izkliede, izraisot pÄrkarÅ”anas problÄmas.
- IzgatavoÅ”anas sarežģītÄ«ba: MazÄku tranzistoru izgatavoÅ”ana prasa sarežģītÄkus un dÄrgÄkus ražoÅ”anas procesus.
Neskatoties uz Å”iem izaicinÄjumiem, pÄtnieki un inženieri pastÄvÄ«gi izstrÄdÄ jaunus materiÄlus un izgatavoÅ”anas metodes, lai turpinÄtu samazinÄt tranzistoru izmÄrus un uzlabotu ierÄ«Äu veiktspÄju.
JaunÄkÄs tendences pusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ijÄ
Jauni materiÄli
PÄtnieki izpÄta jaunus materiÄlus, lai aizstÄtu vai papildinÄtu silÄ«ciju pusvadÄ«tÄju ierÄ«cÄs. Tie ietver:
- Divdimensiju materiÄli: MateriÄli, piemÄram, grafÄns un molibdÄna disulfÄ«ds (MoS2), piedÄvÄ unikÄlas elektroniskÄs Ä«paŔības un var tikt izmantoti ultra-plÄnu tranzistoru un citu ierÄ«Äu izveidoÅ”anai.
- Augstas-k dielektriÄ·i: MateriÄli ar augstÄkiem dielektriskajiem konstantiem nekÄ silÄ«cija dioksÄ«ds tiek izmantoti, lai samazinÄtu noplÅ«des strÄvu MOSFET ierÄ«cÄs.
- III-V savienojumu pusvadÄ«tÄji: Savienojumu pusvadÄ«tÄji, piemÄram, GaN un InP, tiek izmantoti augstfrekvences un augstas jaudas lietojumprogrammÄs.
3D integrÄcija
3D integrÄcija ietver vairÄku pusvadÄ«tÄju ierÄ«Äu slÄÅu sakrauÅ”anu vienu virs otra, lai palielinÄtu integrÄto shÄmu blÄ«vumu un veiktspÄju. Å Ä« tehnoloÄ£ija piedÄvÄ vairÄkas priekÅ”rocÄ«bas, ieskaitot Ä«sÄkus savienojumu garumus, zemÄku enerÄ£ijas patÄriÅu un palielinÄtu joslas platumu.
NeiromorfiskÄ skaitļoÅ”ana
NeiromorfiskÄ skaitļoÅ”ana cenÅ”as atdarinÄt cilvÄka smadzeÅu struktÅ«ru un funkciju, lai radÄ«tu efektÄ«vÄkus un jaudÄ«gÄkus datorus. Å Ä« pieeja ietver jaunu veidu elektronisko ierÄ«Äu un arhitektÅ«ru izmantoÅ”anu, kas spÄj veikt paralÄlu apstrÄdi un mÄcÄ«ties no datiem.
KvantitatÄ«vÄ skaitļoÅ”ana
KvantitatÄ«vÄ skaitļoÅ”ana izmanto kvantitatÄ«vi mehÄniskos fenomenus, piemÄram, superpozÄ«ciju un savstarpÄju savienojumu, lai veiktu aprÄÄ·inus, kas nav iespÄjami klasiskajiem datoriem. KvantitatÄ«vajiem datoriem ir potenciÄls revolucionizÄt tÄdas jomas kÄ zÄļu atklÄÅ”ana, materiÄlzinÄtne un kriptogrÄfija.
GlobÄlÄ pusvadÄ«tÄju nozare
PusvadÄ«tÄju rÅ«pniecÄ«ba ir globÄla nozare, kurÄ galvenie spÄlÄtÄji atrodas dažÄdÄs pasaules valstÄ«s. Galvenie reÄ£ioni ietver:
- Amerikas SavienotÄs Valstis: MÅ«su mÄjvieta daudziem pasaules vadoÅ”ajiem pusvadÄ«tÄju uzÅÄmumiem, ieskaitot Intel, AMD un Qualcomm.
- TaivÄna: Galvenais pusvadÄ«tÄju ražoÅ”anas centrs, kur tÄdi uzÅÄmumi kÄ TSMC un UMC dominÄ lietuvju tirgÅ«.
- Dienvidkoreja: Samsung un SK Hynix, vadoÅ”o atmiÅas mikroshÄmu un citu pusvadÄ«tÄju ierÄ«Äu ražotÄju mÄjvieta.
- Ķīna: Strauji augoÅ”ais pusvadÄ«tÄju tirgus, ar pieaugoÅ”Äm investÄ«cijÄm vietÄjÄs ražoÅ”anas iespÄjÄs.
- JapÄna: MÅ«su mÄjvieta tÄdiem uzÅÄmumiem kÄ Renesas Electronics un Toshiba, kas specializÄjas automaŔīnu pusvadÄ«tÄjos un citos elektroniskos komponentos.
- Eiropa: Ar tÄdiem uzÅÄmumiem kÄ Infineon un NXP, koncentrÄjas uz automaŔīnu, rÅ«pniecÄ«bas un droŔības lietojumprogrammÄm.
GlobÄlÄ pusvadÄ«tÄju nozare ir ļoti konkurÄtspÄjÄ«ga, uzÅÄmumiem nepÄrtraukti inovÄjot, lai izstrÄdÄtu jaunus materiÄlus, ierÄ«ces un ražoÅ”anas procesus. ValdÄ«bas politikai, tirdzniecÄ«bas nolÄ«gumiem un Ä£eopolitiskiem faktoriem ir arÄ« nozÄ«mÄ«ga loma nozares ainavas veidoÅ”anÄ.
PusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ijas nÄkotne
PusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ija pastÄvÄ«gi attÄ«stÄs, ko virza arvien pieaugoÅ”ais pieprasÄ«jums pÄc ÄtrÄkÄm, mazÄkÄm un energoefektÄ«vÄkÄm elektroniskÄm ierÄ«cÄm. PusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ijas nÄkotnÄ, visticamÄk, ietvers:
- NepÄrtraukta mÄrogoÅ”ana: PÄtnieki turpinÄs attÄ«stÄ«t miniaturizÄcijas robežas, izpÄtot jaunus materiÄlus un izgatavoÅ”anas metodes, lai radÄ«tu mazÄkus un jaudÄ«gÄkus tranzistorus.
- VairÄk specializÄtu ierÄ«Äu: PusvadÄ«tÄju ierÄ«ces kļūs arvien vairÄk specializÄtas konkrÄtÄm lietojumprogrammÄm, piemÄram, mÄkslÄ«gajam intelektam, lietu internetam (IoT) un automaŔīnu elektronikai.
- LielÄka integrÄcija: 3D integrÄcija un citas progresÄ«vas iepakoÅ”anas tehnoloÄ£ijas ļaus radÄ«t sarežģītÄkas un integrÄtÄkas sistÄmas.
- IlgtspÄjÄ«ga ražoÅ”ana: Fokuss uz vides ietekmes samazinÄÅ”anu un ilgtspÄjÄ«gu ražoÅ”anas prakses veicinÄÅ”anu.
Izprotot elektronisko materiÄlu un pusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ijas pamatprincipus, indivÄ«di un organizÄcijas var labÄk pozicionÄties, lai pÄrvarÄtu Ŕīs dinamiskÄs un strauji mainÄ«gÄs jomas izaicinÄjumus un iespÄjas.
SecinÄjums
PusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ija ir kritiski svarÄ«gs mÅ«sdienu sabiedrÄ«bas virzÄ«tÄjspÄks, kas nodroÅ”ina neskaitÄmas elektroniskÄs ierÄ«ces un sistÄmas. TÄ kÄ mÄs virzÄmies uz arvien digitÄlÄku pasauli, pusvadÄ«tÄju nozÄ«me tikai turpinÄs pieaugt. Å Ä« rokasgrÄmata ir sniegusi visaptveroÅ”u pÄrskatu par elektroniskajiem materiÄliem, koncentrÄjoties uz pusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£iju, galvenajiem materiÄliem, izgatavoÅ”anas procesiem un nÄkotnes tendencÄm. Izprotot Å”os pamatkoncepcijas, lasÄ«tÄji var gÅ«t dziļÄku izpratni par pusvadÄ«tÄju nozares sarežģītÄ«bu un izaicinÄjumiem, kÄ arÄ« tÄs ietekmi uz globÄlo ekonomiku.