សមា្ភារៈ semiconductor បានវិវត្តន៍តាមរយៈជំនាន់បំប្លែងចំនួនបី៖
ជំនាន់ទី 1 (Si/Ge) បានដាក់មូលដ្ឋានគ្រឹះនៃអេឡិចត្រូនិចទំនើប។
ជំនាន់ទី 2 (GaAs/InP) បានទម្លាយឧបសគ្គ optoelectronic និងប្រេកង់ខ្ពស់ ដើម្បីផ្តល់ថាមពលដល់បដិវត្តន៍ព័ត៌មាន។
ជំនាន់ទី 3 (SiC/GaN) ឥឡូវនេះដោះស្រាយបញ្ហាថាមពល និងបរិស្ថានខ្លាំង ដែលអនុញ្ញាតឱ្យមានអព្យាក្រឹតភាពកាបូន និងយុគសម័យ 6G ។
វឌ្ឍនភាពនេះបង្ហាញពីការផ្លាស់ប្តូរគំរូពីភាពប៉ិនប្រសប់ទៅជំនាញខាងវិទ្យាសាស្ត្រសម្ភារៈ។
1. សារធាតុ Semiconductors ជំនាន់ទីមួយ៖ Silicon (Si) និង Germanium (Ge)
ប្រវត្តិសាស្រ្ដ
នៅឆ្នាំ 1947 Bell Labs បានបង្កើតត្រង់ស៊ីស្ទ័រ germanium ដែលសម្គាល់ថ្ងៃរះនៃយុគសម័យ semiconductor ។ នៅទសវត្សរ៍ឆ្នាំ 1950 ស៊ីលីកុនបានជំនួស germanium ជាបណ្តើរៗ ដែលជាមូលដ្ឋានគ្រឹះនៃសៀគ្វីរួមបញ្ចូលគ្នា (ICs) ដោយសារតែស្រទាប់អុកស៊ីតមានស្ថេរភាព (SiO₂) និងទុនបម្រុងធម្មជាតិដ៏សម្បូរបែប។
ទ្រព្យសម្បត្តិសម្ភារៈ
ⅠBandgap៖
Germanium: 0.67eV (គម្លាតតូចចង្អៀត ងាយនឹងលេចធ្លាយចរន្ត ដំណើរការសីតុណ្ហភាពទាប)។
ស៊ីលីកុន៖ 1.12eV (គម្លាតដោយប្រយោល សមរម្យសម្រាប់សៀគ្វីតក្កវិជ្ជា ប៉ុន្តែមិនអាចបញ្ចេញពន្លឺបាន)។
Ⅱគុណសម្បត្តិនៃស៊ីលីកុន៖
បង្កើតជាអុកស៊ីដដែលមានគុណភាពខ្ពស់ (SiO₂) ដោយធម្មជាតិដែលអនុញ្ញាតឱ្យផលិត MOSFET ។
តម្លៃទាប និងសម្បូរទៅដោយផែនដី (~28% នៃសមាសភាពសំបក)។
Ⅲដែនកំណត់៖
ការចល័តអេឡិចត្រុងទាប (ត្រឹមតែ 1500 cm²/(V·s)) ការដាក់កម្រិតលើដំណើរការប្រេកង់ខ្ពស់។
ភាពធន់នឹងតង់ស្យុង/សីតុណ្ហភាពខ្សោយ (សីតុណ្ហភាពប្រតិបត្តិការអតិបរមា ~150°C)។
កម្មវិធីសំខាន់ៗ
Ⅰសៀគ្វីរួមបញ្ចូលគ្នា (ICs)៖
ស៊ីភីយូ បន្ទះឈីបអង្គចងចាំ (ឧ. DRAM, NAND) ពឹងផ្អែកលើស៊ីលីកុនសម្រាប់ដង់ស៊ីតេនៃការរួមបញ្ចូលខ្ពស់។
ឧទាហរណ៍៖ 4004 (1971) របស់ Intel ដែលជា microprocessor ពាណិជ្ជកម្មដំបូងគេបានប្រើបច្ចេកវិទ្យាស៊ីលីកុន 10μm។
Ⅱឧបករណ៍ថាមពល៖
thyristors ដំបូង និង MOSFETs វ៉ុលទាប (ឧ. ការផ្គត់ផ្គង់ថាមពលកុំព្យូទ័រ) មានមូលដ្ឋានលើស៊ីលីកុន។
បញ្ហាប្រឈម & ភាពហួសសម័យ
Germanium ត្រូវបានបញ្ឈប់ដោយសារតែការលេចធ្លាយ និងអស្ថេរភាពកម្ដៅ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដែនកំណត់របស់ស៊ីលីកុននៅក្នុង optoelectronics និងកម្មវិធីដែលមានថាមពលខ្ពស់បានជំរុញឱ្យមានការអភិវឌ្ឍន៍នៃ semiconductors ជំនាន់ក្រោយ។
2Semiconductors ជំនាន់ទីពីរ៖ Gallium Arsenide (GaAs) និង Indium Phosphide (InP)
ផ្ទៃខាងក្រោយនៃការអភិវឌ្ឍន៍
ក្នុងកំឡុងទសវត្សរ៍ឆ្នាំ 1970-1980 វិស័យដែលកំពុងរីកចម្រើនដូចជា ទំនាក់ទំនងចល័ត បណ្តាញខ្សែកាបអុបទិក និងបច្ចេកវិទ្យាផ្កាយរណប បានបង្កើតតម្រូវការខ្លាំងសម្រាប់សម្ភារៈអុបតូអេឡិចត្រូនិចដែលមានប្រេកង់ខ្ពស់ និងមានប្រសិទ្ធភាព។ នេះបានជំរុញឱ្យមានការជឿនលឿននៃឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិក bandgap ផ្ទាល់ដូចជា GaAs និង InP ។
ទ្រព្យសម្បត្តិសម្ភារៈ
Bandgap & Optoelectronic Performance៖
GaAs: 1.42eV (ការបញ្ជូនតដោយផ្ទាល់ បើកការបំភាយពន្លឺ—ល្អសម្រាប់ឡាស៊ែរ/LEDs)។
InP: 1.34eV (សមល្អជាងសម្រាប់កម្មវិធីរលកវែង ឧ. 1550nm fiber-optic communications)។
អេឡិចត្រុងចល័ត៖
GaAs សម្រេចបាន 8500 cm²/(V·s) លើសពី silicon (1500 cm²/(V·s)) ដែលធ្វើឱ្យវាល្អបំផុតសម្រាប់ដំណើរការសញ្ញាជួរ GHz ។
គុណវិបត្តិ
លីត្រស្រទាប់ខាងក្រោមផុយ៖ ពិបាកផលិតជាងស៊ីលីកុន។ GaAs wafers មានតម្លៃ 10 × ច្រើនទៀត។
លីត្រគ្មានអុកស៊ីដដើម៖ មិនដូច SiO₂ របស់ស៊ីលីកុន GaAs/InP ខ្វះអុកស៊ីដស្ថិរភាព ដែលរារាំងការផលិត IC ដែលមានដង់ស៊ីតេខ្ពស់។
កម្មវិធីសំខាន់ៗ
លីត្រRF ផ្នែកខាងមុខ៖
ឧបករណ៍ពង្រីកថាមពលចល័ត (PAs) ឧបករណ៍បញ្ជូនផ្កាយរណប (ឧ. ត្រង់ស៊ីស្ទ័រ HEMT ដែលមានមូលដ្ឋានលើ GaAs)។
លីត្រអុបតូអេឡិចត្រូនិច៖
ឌីយ៉ូតឡាស៊ែរ (ដ្រាយស៊ីឌី / ឌីវីឌី) អំពូល LED (ក្រហម / អ៊ីនហ្វ្រារ៉េដ) ម៉ូឌុលអុបទិក (ឡាស៊ែរអ៊ីនភី) ។
លីត្រកោសិកាពន្លឺព្រះអាទិត្យអវកាស៖
កោសិកា GaAs ទទួលបានប្រសិទ្ធភាព 30% (ទល់នឹង ~20% សម្រាប់ស៊ីលីកុន) មានសារៈសំខាន់សម្រាប់ផ្កាយរណប។
លីត្រការស្ទះផ្នែកបច្ចេកវិទ្យា
ការចំណាយខ្ពស់បង្ខាំង GaAs/InP ទៅនឹងកម្មវិធីកម្រិតខ្ពស់ពិសេស ដោយការពារពួកវាពីការបំលែងភាពលេចធ្លោរបស់ស៊ីលីកុននៅក្នុងបន្ទះសៀគ្វីតក្កវិជ្ជា។
ឧបករណ៍ពាក់កណ្ដាលជំនាន់ទីបី (Wide-Bandgap Semiconductors): Silicon Carbide (SiC) និង Gallium Nitride (GaN)
អ្នកបើកបរបច្ចេកវិទ្យា
បដិវត្តថាមពល៖ យានជំនិះអគ្គិសនី និងការរួមបញ្ចូលក្រឡាចត្រង្គថាមពលកកើតឡើងវិញទាមទារឧបករណ៍ថាមពលដែលមានប្រសិទ្ធភាពជាងមុន។
តម្រូវការប្រេកង់ខ្ពស់៖ ការទំនាក់ទំនង និងប្រព័ន្ធរ៉ាដា 5G ទាមទារប្រេកង់ និងដង់ស៊ីតេថាមពលខ្ពស់ជាង។
បរិស្ថានខ្លាំង៖ កម្មវិធីអវកាស និងម៉ូទ័រឧស្សាហកម្មត្រូវការសម្ភារៈដែលមានសមត្ថភាពទប់ទល់នឹងសីតុណ្ហភាពលើសពី 200°C។
លក្ខណៈសម្ភារៈ
គុណសម្បត្តិនៃ Bandgap ធំទូលាយ៖
លីត្រSiC: Bandgap នៃ 3.26eV, បំបែកកម្លាំងវាលអគ្គិសនី 10 × នៃស៊ីលីកូន, មានសមត្ថភាពទប់ទល់នឹងវ៉ុលលើសពី 10kV ។
លីត្រGaN: Bandgap នៃ 3.4eV, ការចល័តអេឡិចត្រុង 2200 cm²/(V·s) ល្អឥតខ្ចោះក្នុងការអនុវត្តប្រេកង់ខ្ពស់។
ការគ្រប់គ្រងកម្ដៅ៖
ចរន្តកំដៅរបស់ SiC ឈានដល់ 4.9 W/(cm·K) បីដងប្រសើរជាងស៊ីលីកុន ដែលធ្វើឱ្យវាល្អសម្រាប់កម្មវិធីដែលមានថាមពលខ្ពស់។
បញ្ហាប្រឈមសម្ភារៈ
SiC: ការលូតលាស់គ្រីស្តាល់តែមួយយឺត ទាមទារសីតុណ្ហភាពលើសពី 2000°C ដែលបណ្តាលឱ្យខូចទ្រង់ទ្រាយ wafer និងការចំណាយខ្ពស់ (Wafer SiC ទំហំ 6 អ៊ីញមានតម្លៃថ្លៃជាងស៊ីលីកុន 20×)។
GaN: ខ្វះស្រទាប់ខាងក្រោមធម្មជាតិ ដែលជារឿយៗត្រូវការ heteroepitaxy លើត្បូងកណ្តៀង SiC ឬស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុន ដែលនាំឱ្យមានបញ្ហាមិនស៊ីគ្នានឹងបន្ទះឈើ។
កម្មវិធីសំខាន់ៗ
ថាមពលអេឡិចត្រូនិច៖
អាំងវឺតទ័រ EV (ឧទាហរណ៍ Tesla Model 3 ប្រើ SiC MOSFETs បង្កើនប្រសិទ្ធភាព 5-10%) ។
ស្ថានីយ/អាដាប់ទ័រសាកថ្មលឿន (ឧបករណ៍ GaN បើកការសាកលឿន 100W+ ខណៈពេលដែលកាត់បន្ថយទំហំ 50%)។
ឧបករណ៍ RF៖
ឧបករណ៍ពង្រីកថាមពលស្ថានីយ៍មូលដ្ឋាន 5G (GaN-on-SiC PAs គាំទ្រប្រេកង់ mmWave) ។
រ៉ាដាយោធា (GaN ផ្តល់ 5 × ដង់ស៊ីតេថាមពលនៃ GaAs) ។
អុបតូអេឡិចត្រូនិច៖
កាំរស្មី UV LEDs (សមា្ភារៈ AlGaN ដែលប្រើក្នុងការក្រៀវ និងការរកឃើញគុណភាពទឹក)។
ស្ថានភាពឧស្សាហកម្ម និងទស្សនវិស័យនាពេលអនាគត
SiC គ្របដណ្ដប់លើទីផ្សារថាមពលខ្ពស់ ជាមួយនឹងម៉ូឌុលរថយន្តកម្រិតថ្នាក់រួចហើយនៅក្នុងការផលិតទ្រង់ទ្រាយធំ ទោះបីជាតម្លៃនៅតែជាឧបសគ្គក៏ដោយ។
GaN កំពុងពង្រីកយ៉ាងឆាប់រហ័សនៅក្នុងឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិកសម្រាប់អ្នកប្រើប្រាស់ (ការបញ្ចូលថ្មលឿន) និងកម្មវិធី RF ដោយផ្លាស់ប្តូរឆ្ពោះទៅរក wafers 8 អ៊ីញ។
សមា្ភារៈដែលកំពុងលេចចេញដូចជាហ្គាលីយ៉ូមអុកស៊ីដ (Ga₂O₃, bandgap 4.8eV) និងពេជ្រ (5.5eV) អាចបង្កើតជា "ជំនាន់ទីបួន" នៃ semiconductors ដែលរុញដែនកំណត់វ៉ុលលើសពី 20kV ។
ការរួមរស់ និងការរួមផ្សំនៃជំនាន់ Semiconductor
ការបំពេញបន្ថែម, មិនមែនការជំនួស:
ស៊ីលីកុននៅតែលេចធ្លោនៅក្នុងបន្ទះសៀគ្វីតក្កវិជ្ជា និងគ្រឿងអេឡិចត្រូនិក (95% នៃទីផ្សារគ្រឿងអេឡិចត្រូនិកសកល)។
GaAs និង InP មានឯកទេសក្នុងប្រេកង់ខ្ពស់ និងបច្ចេកវិទ្យា optoelectronic ។
SiC/GaN គឺមិនអាចជំនួសបាននៅក្នុងកម្មវិធីថាមពល និងឧស្សាហកម្ម។
ឧទាហរណ៍នៃការរួមបញ្ចូលបច្ចេកវិទ្យា៖
GaN-on-Si៖ រួមបញ្ចូល GaN ជាមួយនឹងស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុនដែលមានតម្លៃទាបសម្រាប់ការសាកថ្មលឿន និងកម្មវិធី RF។
ម៉ូឌុលកូនកាត់ SiC-IGBT៖ កែលម្អប្រសិទ្ធភាពនៃការបំប្លែងក្រឡាចត្រង្គ។
និន្នាការនាពេលអនាគត៖
សមាហរណកម្មដ៏ច្រើនលើសលប់៖ ការរួមបញ្ចូលគ្នារវាងវត្ថុធាតុដើម (ឧ. Si + GaN) នៅលើបន្ទះឈីបតែមួយ ដើម្បីធ្វើឱ្យមានតុល្យភាពរវាងដំណើរការ និងការចំណាយ។
សមា្ភារៈ bandgap ធំទូលាយ (ឧ. Ga₂O₃, ពេជ្រ) អាចបើកដំណើរការកម្មវិធី ultra-high-voltage (> 20kV) និងកម្មវិធី quantum computing។
ផលិតកម្មដែលពាក់ព័ន្ធ
GaAs ឡាស៊ែរ epitaxial wafer 4 អ៊ីញ 6 អ៊ីញ
12 អ៊ីង SIC substrate silicon carbide prime grade អង្កត់ផ្ចិត 300mm ទំហំធំ 4H-N ស័ក្តិសមសម្រាប់ការរំសាយកំដៅឧបករណ៍ថាមពលខ្ពស់
ពេលវេលាផ្សាយ៖ ឧសភា-០៧-២០២៥