Os materiais semicondutores evolucionaron ao longo de tres xeracións transformadoras:
A primeira xeración (Si/Ge) sentou as bases da electrónica moderna,
A segunda xeración (GaAs/InP) rompeu as barreiras optoelectrónicas e de alta frecuencia para impulsar a revolución da información.
A terceira xeración (SiC/GaN) agora aborda os desafíos enerxéticos e de ambientes extremos, permitindo a neutralidade de carbono e a era 6G.
Esta progresión revela un cambio de paradigma da versatilidade á especialización na ciencia dos materiais.
1. Semicondutores de primeira xeración: silicio (Si) e xermanio (Ge)
Antecedentes históricos
En 1947, os laboratorios Bell inventaron o transistor de xermanio, o que marcou o comezo da era dos semicondutores. Na década de 1950, o silicio foi substituíndo gradualmente o xermanio como base dos circuítos integrados (CI) debido á súa capa de óxido estable (SiO₂) e ás súas abundantes reservas naturais.
Propiedades do material
ⅠBanda prohibida:
Xermanio: 0,67 eV (intervalo de banda estreito, propenso a correntes de fuga, rendemento deficiente a altas temperaturas).
Silicio: 1,12 eV (intervalo de banda indirecto, axeitado para circuítos lóxicos pero incapaz de emitir luz).
Ⅱ,Vantaxes do silicio:
Forma de forma natural un óxido de alta calidade (SiO₂), o que permite a fabricación de MOSFET.
Baixo custo e abundante na Terra (~28 % da composición da codia terrestre).
terceiro,Limitacións:
Baixa mobilidade de electróns (só 1500 cm²/(V·s)), o que restrinxe o rendemento a alta frecuencia.
Tolerancia baixa á tensión/temperatura (temperatura máxima de funcionamento ~150 °C).
Aplicacións clave
Ⅰ,Circuítos integrados (CI):
As CPU e os chips de memoria (por exemplo, DRAM e NAND) dependen do silicio para unha alta densidade de integración.
Exemplo: o 4004 (1971) de Intel, o primeiro microprocesador comercial, empregaba tecnoloxía de silicio de 10 μm.
Ⅱ,Dispositivos de alimentación:
Os primeiros tiristores e MOSFET de baixa tensión (por exemplo, as fontes de alimentación dos PC) estaban baseados en silicio.
Desafíos e obsolescencia
O xermanio foi eliminado gradualmente debido ás fugas e á inestabilidade térmica. Non obstante, as limitacións do silicio na optoelectrónica e nas aplicacións de alta potencia impulsaron o desenvolvemento de semicondutores de nova xeración.
Semicondutores de segunda xeración: arseniuro de galio (GaAs) e fosfuro de indio (InP)
Antecedentes de desenvolvemento
Durante as décadas de 1970 e 1980, campos emerxentes como as comunicacións móbiles, as redes de fibra óptica e a tecnoloxía de satélites crearon unha demanda apremiante de materiais optoelectrónicos de alta frecuencia e eficientes. Isto impulsou o avance dos semicondutores de banda prohibida directa como o GaAs e o InP.
Propiedades do material
Rendemento optoelectrónico e de banda prohibida:
GaAs: 1,42 eV (intervalo de banda directo, permite a emisión de luz; ideal para láseres/LED).
InP: 1,34 eV (máis axeitado para aplicacións de lonxitude de onda longa, por exemplo, comunicacións por fibra óptica de 1550 nm).
Mobilidade electrónica:
O GaAs alcanza os 8500 cm²/(V·s), superando con creces o silicio (1500 cm²/(V·s)), o que o fai óptimo para o procesamento de sinais no rango de GHz.
Desvantaxes
lSubstratos fráxiles: máis difíciles de fabricar que o silicio; as obleas de GaAs custan 10 veces máis.
lSen óxido nativo: a diferenza do SiO₂ do silicio, o GaAs/InP carece de óxidos estables, o que dificulta a fabricación de circuítos integrados de alta densidade.
Aplicacións clave
lFront-ends de RF:
Amplificadores de potencia móbiles (PA), transceptores de satélite (por exemplo, transistores HEMT baseados en GaAs).
lOptoelectrónica:
Díodos láser (unidades de CD/DVD), LED (vermello/infravermello), módulos de fibra óptica (láseres InP).
lCélulas solares espaciais:
As células de GaAs alcanzan unha eficiencia do 30 % (fronte a ~20 % do silicio), crucial para os satélites.
lGargalos tecnolóxicos
Os altos custos limitan o GaAs/InP a aplicacións de gama alta de nicho, o que lles impide desprazar o dominio do silicio nos chips lóxicos.
Semicondutores de terceira xeración (semicondutores de banda ancha): carburo de silicio (SiC) e nitruro de galio (GaN)
Impulsores tecnolóxicos
Revolución enerxética: os vehículos eléctricos e a integración á rede de enerxías renovables esixen dispositivos eléctricos máis eficientes.
Necesidades de alta frecuencia: as comunicacións 5G e os sistemas de radar requiren frecuencias e densidade de potencia máis elevadas.
Ambientes extremos: as aplicacións aeroespaciais e de motores industriais necesitan materiais capaces de soportar temperaturas superiores a 200 °C.
Características do material
Vantaxes da banda ancha:
lSiC: banda prohibida de 3,26 eV, intensidade do campo eléctrico de ruptura 10 veces maior que a do silicio, capaz de soportar tensións superiores a 10 kV.
lGaN: Banda prohibida de 3,4 eV, mobilidade electrónica de 2200 cm²/(V·s), excelente rendemento a alta frecuencia.
Xestión térmica:
A condutividade térmica do SiC alcanza os 4,9 W/(cm·K), tres veces mellor que a do silicio, o que o fai ideal para aplicacións de alta potencia.
Desafíos materiais
SiC: O crecemento lento dun monocristal require temperaturas superiores a 2000 °C, o que resulta en defectos na oblea e custos elevados (unha oblea de SiC de 6 polgadas é 20 veces máis cara que o silicio).
GaN: Carece dun substrato natural, polo que a miúdo require heteroepitaxia en substratos de zafiro, SiC ou silicio, o que leva a problemas de desaxuste de rede.
Aplicacións clave
Electrónica de potencia:
Inversores para vehículos eléctricos (por exemplo, o Tesla Model 3 usa MOSFET de SiC, o que mellora a eficiencia entre un 5 e un 10 %).
Estacións/adaptadores de carga rápida (os dispositivos GaN permiten unha carga rápida de máis de 100 W e reducen o tamaño nun 50 %).
Dispositivos de radiofrecuencia:
Amplificadores de potencia de estación base 5G (os PA de GaN sobre SiC admiten frecuencias mmWave).
Radar militar (o GaN ofrece 5 veces a densidade de potencia do GaAs).
Optoelectrónica:
LED UV (materiais de AlGaN empregados na esterilización e na detección da calidade da auga).
Estado da industria e perspectivas de futuro
O SiC domina o mercado de alta potencia, con módulos de calidade automotriz que xa están en produción en masa, aínda que os custos seguen sendo unha barreira.
O GaN está a expandirse rapidamente na electrónica de consumo (carga rápida) e nas aplicacións de RF, en transición cara a obleas de 8 polgadas.
Os materiais emerxentes como o óxido de galio (Ga₂O₃, intervalo de banda 4,8 eV) e o diamante (5,5 eV) poderían formar unha "cuarta xeración" de semicondutores, elevando os límites de tensión máis alá dos 20 kV.
Coexistencia e sinerxía das xeracións de semicondutores
Complementariedade, non substitución:
O silicio segue a ser dominante nos chips lóxicos e na electrónica de consumo (o 95 % do mercado mundial de semicondutores).
O GaAs e o InP especialízanse en nichos de alta frecuencia e optoelectrónicos.
O SiC/GaN son irremplazables nas aplicacións enerxéticas e industriais.
Exemplos de integración tecnolóxica:
GaN sobre Si: Combina GaN con substratos de silicio de baixo custo para carga rápida e aplicacións de RF.
Módulos híbridos SiC-IGBT: melloran a eficiencia da conversión á rede.
Tendencias futuras:
Integración heteroxénea: combinación de materiais (por exemplo, Si + GaN) nun único chip para equilibrar o rendemento e o custo.
Os materiais de banda prohibida ultraancha (por exemplo, Ga₂O₃, diamante) poden permitir aplicacións de computación cuántica e de tensión ultraalta (>20 kV).
Produción relacionada
Oblea epitaxial láser de GaAs de 4 polgadas e 6 polgadas
Substrato SIC de carburo de silicio de primeira calidade de 12 polgadas, diámetro de 300 mm, tamaño grande 4H-N, axeitado para a disipación de calor de dispositivos de alta potencia
Data de publicación: 07 de maio de 2025