Onderzoeksvoortgang naar nieuwe transistormaterialen

De beperkingen van traditionele transistormaterialen
Voornamelijk gebaseerd op silicium (Si), na tientallen jaren van ontwikkeling, zijn silicium-gebaseerde transistoren op grote schaal gebruikt in verschillende elektronische producten. Echter, aangezien de apparaatgroottes blijven krimpen, worden silicium-gebaseerde transistoren geconfronteerd met de volgende uitdagingen:
Grootte-effect: Wanneer de grootte van een transistor tot op zekere hoogte wordt verkleind, treden er kwantumeffecten op die de prestaties en stabiliteit van het apparaat beïnvloeden.

Probleem met stroomverbruik:De lekstroom van kleine transistoren neemt toe, wat leidt tot een hoger stroomverbruik en aanzienlijke problemen met warmteafvoer.

Snelheidslimiet:De beperkte elektronenmobiliteit van siliciummaterialen heeft invloed op de schakelsnelheid van transistoren.

Om deze problemen aan te pakken, zijn onderzoekers nieuwe materialen gaan onderzoeken om de prestaties van transistors te verbeteren en daarbij de Wet van Moore te blijven toepassen.

Onderzoeksvoortgang van nieuwe transistormaterialen
Galliumarsenide (GaAs) en indiumfosfide (InP)
Heeft een hoge elektronenmobiliteit en is geschikt voor elektronische apparaten met hoge snelheid. Vergeleken met silicium kunnen GaAs- en InP-transistoren een hogere schakelsnelheid en minder ruis bieden. Daarom zijn ze veel gebruikt in hoogfrequente communicatie, radar, satellieten en opto-elektronische apparaten. De productiekosten van deze materialen zijn echter hoger en de procescomplexiteit is ook hoger dan die van silicium.

Koolstofgebaseerde materialen: grafeen en koolstofnanotubes
Vanwege de uitstekende elektrische en mechanische eigenschappen wordt het beschouwd als het meest veelbelovende transistormateriaal voor de toekomst. Grafeen heeft een extreem hoge elektronenmobiliteit en kan een ultrahoge snelheid elektronenoverdracht bereiken, waardoor het geschikt is voor snelle computer- en communicatieapparaten. Koolstofnanotubes hebben een hoge sterkte en flexibiliteit en kunnen worden gebruikt om flexibele elektronische apparaten te produceren. De grootschalige productie- en integratietechnologie van grafeen en koolstofnanotubes bevindt zich echter nog in de verkennende fase.

Molybdeendisulfide (MoS2) en andere tweedimensionale materialen
Met atomaire dikte en uitstekende elektronenmobiliteit is het geschikt voor ultradunne en hoogwaardige elektronische apparaten. MoS2-transistoren vertonen uitstekende schakeleigenschappen en een laag stroomverbruik op subnanometerschaal, waardoor ze geschikt zijn voor de volgende generatie elektronische apparaten met laag vermogen. Andere tweedimensionale materialen zoals boornitride (BN) en wolfraamdisulfide (WS2) worden ook bestudeerd voor multifunctionele elektronische apparaten.

Galliumoxide (Ga2O3) en halfgeleiders met een brede bandgap
Met brede bandgap-eigenschappen, geschikt voor elektronische apparaten met hoog vermogen en hoge frequentie. Vergeleken met traditionele op silicium gebaseerde apparaten kunnen Ga2O3-transistoren stabiel werken bij hoge temperaturen en spanningen, waardoor ze geschikt zijn voor vermogenselektronica en nieuwe energievelden. Andere halfgeleiders met brede bandgap, zoals galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC), hebben ook uitstekende prestaties laten zien in elektronische apparaten met hoog vermogen.

De toepassingsmogelijkheden van nieuwe transistormaterialen
High performance computing en communicatie
In staat om hogere elektronenmobiliteit en schakelsnelheid te bieden, geschikt voor high-performance computing en high-speed communicatieapparaten. Bijvoorbeeld, grafeen en GaAs transistors kunnen de prestaties van computerprocessors en communicatiechips aanzienlijk verbeteren, en voldoen aan de behoeften van 5G en toekomstige 6G communicatie.

Elektronische apparaten met laag vermogen
De kenmerken van laag stroomverbruik van tweedimensionale materialen zoals MoS2 maken ze geschikt voor draagbare elektronische apparaten en IoT-apparaten. Door deze nieuwe materialen te gebruiken, kan de levensduur van de batterij worden verlengd en kan de duurzaamheid van het apparaat worden verbeterd.

Flexibele elektronica en draagbare apparaten
De toepassing van koolstofnanotubes en andere flexibele materialen zal de ontwikkeling van flexibele elektronica en draagbare apparaten stimuleren. De hoge sterkte en flexibiliteit van deze materialen zorgen ervoor dat elektronische apparaten kunnen buigen en vouwen, waardoor ze geschikt zijn voor opkomende gebieden zoals slimme kleding en gezondheidsmonitoringapparaten.

Nieuwe energie- en vermogenselektronica
De toepassing van halfgeleiders met een brede bandgap zoals GaN en SiC in elektronische apparaten met een hoog vermogen en hoge frequentie zal de ontwikkeling van nieuwe energie- en vermogenselektronica bevorderen. Deze materialen kunnen stabiel werken onder hoge temperaturen en hoge spanningen en zijn geschikt voor gebieden zoals elektrische voertuigen en apparatuur voor de opwekking van hernieuwbare energie.

Toekomstige uitdagingen en ontwikkelingsrichtingen
Hoewel nieuwe transistormaterialen een groot potentieel hebben laten zien, kennen hun grootschalige toepassingen nog steeds veel uitdagingen. Ten eerste beperken de hoge productiekosten en de procescomplexiteit van nieuwe materialen hun grootschalige commerciële toepassingen. Ten tweede moeten de stabiliteit en consistentie van de materialen nog verder worden aangepakt om de betrouwbaarheid van de apparaten op de lange termijn te garanderen. Bovendien zijn de milieu- en gezondheidseffecten van nieuwe materialen ook belangrijke aspecten die aandacht behoeven. Hoe groene productie en duurzame ontwikkeling kunnen worden bereikt, is de sleutel tot toekomstig onderzoek.

Om het onderzoek en de toepassing van nieuwe transistormaterialen te bevorderen, is het noodzakelijk om de interdisciplinaire samenwerking te versterken en kennis en technologie uit materiaalkunde, natuurkunde, elektronische techniek en andere vakgebieden te integreren. Tegelijkertijd moeten de overheid en ondernemingen hun steun voor fundamenteel onderzoek en industrialisatie vergroten, een solide technologisch innovatiesysteem en industriële ketenecologie opzetten.

In dit tijdperk vol uitdagingen en kansen zal de onderzoeksvoortgang van nieuwe transistormaterialen een nieuw ontwikkelingsmomentum brengen in de elektronica-industrie. Door voortdurende verkenning en innovatie hebben we reden om te geloven dat toekomstige elektronische apparaten efficiënter, intelligenter en milieuvriendelijker zullen zijn, en meer gemak en verrassingen in het menselijk leven zullen brengen.

https://www.trrsemicon.com/transistor/mosfet-transistor/mosfet-si2309.html