Jakie są materiały półprzewodnikowe pierwszej, drugiej, trzeciej i czwartej generacji?

Materiały półprzewodnikowe to materiały charakteryzujące się przewodnością elektryczną pomiędzy przewodnikami i izolatorami w temperaturze pokojowej, które są szeroko stosowane w takich dziedzinach, jak obwody scalone, komunikacja, energetyka i optoelektronika. Wraz z rozwojem technologii materiały półprzewodnikowe ewoluowały od pierwszej do czwartej generacji.

W połowie XX wieku pierwsza generacja materiałów półprzewodnikowych składała się głównie z germanu (Ge) ikrzem(Si). Warto zauważyć, że pierwszy tranzystor i pierwszy układ scalony na świecie zostały wykonane z germanu. Jednak pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku stopniowo zastępowano go krzemem ze względu na jego wady, takie jak niska przewodność cieplna, niska temperatura topnienia, słaba odporność na wysokie temperatury, niestabilna rozpuszczalna w wodzie struktura tlenkowa i słaba wytrzymałość mechaniczna. Dzięki doskonałej odporności na wysokie temperatury, doskonałej odporności na promieniowanie, niezwykłej opłacalności i obfitym zasobom, krzem stopniowo wypierał german jako główny materiał i utrzymał tę pozycję do dziś.

W latach 90. XX wieku zaczęła pojawiać się druga generacja materiałów półprzewodnikowych, w których reprezentatywnymi materiałami były arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP). Drugie materiały półprzewodnikowe oferują takie zalety, jak duża przerwa wzbroniona, niskie stężenie nośnika, doskonałe właściwości optoelektroniczne, a także doskonała odporność termiczna i odporność na promieniowanie. Te zalety sprawiają, że są one szeroko stosowane w komunikacji mikrofalowej, komunikacji satelitarnej, komunikacji optycznej, urządzeniach optoelektronicznych i nawigacji satelitarnej. Jednak zastosowania złożonych materiałów półprzewodnikowych są ograniczone przez takie kwestie, jak rzadkie rezerwy, wysokie koszty materiałów, nieodłączna toksyczność, defekty głębokie i trudności w wytwarzaniu płytek o dużych rozmiarach.

W XXI wieku materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji, takie jakwęglik krzemu(SiC), azotek galu (GaN) i tlenek cynku (ZnO). Znane jako materiały półprzewodnikowe o szerokiej przerwie energetycznej, materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji wykazują doskonałe właściwości, takie jak wysokie napięcie przebicia, duża prędkość nasycenia elektronów, wyjątkowa przewodność cieplna i doskonała odporność na promieniowanie. Materiały te nadają się do produkcji urządzeń półprzewodnikowych, które działają w zastosowaniach wymagających wysokiej temperatury, wysokiego napięcia, wysokiej częstotliwości, wysokiego promieniowania i dużej mocy.

Obecnie materiały półprzewodnikowe czwartej generacji reprezentowane są przeztlenek galu(Ga₂O₃), diament (C) i azotek glinu (AlN). Materiały te nazywane są materiałami półprzewodnikowymi o ultraszerokiej przerwie wzbronionej i charakteryzują się wyższym natężeniem pola przebicia niż półprzewodniki trzeciej generacji. Mogą wytrzymać wyższe napięcia i poziomy mocy, odpowiednie do produkcji urządzeń elektronicznych dużej mocy i urządzeń elektronicznych o wysokiej wydajności o częstotliwości radiowej. Jednakże łańcuch produkcji i dostaw materiałów półprzewodnikowych czwartej generacji nie jest jeszcze dojrzały, co stwarza poważne wyzwania w zakresie produkcji i przygotowania.