Was ist ein Halbleiter?
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Halbleiter sind eine Art von Material mit Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren, und ihre Leitfähigkeit ändert sich erheblich unter externen Bedingungen. Dieses Merkmal macht Halbleiter zum Kernmaterial der modernen elektronischen Informationsindustrie.
Aus der Perspektive der Bandtheorie liegt der Kernunterschied zwischen Dirigenten, Halbleitern und Isolatoren in ihren verschiedenen Bandgap -Breiten. Bei einer bestimmten Temperatur verlassen sich die Elektronen auf kovalenten Bindungen auf die thermische Anregung, um Energie und Ablösung von der kovalenten Bindung zu erhalten, und werden zu quasi freien Elektronen, die sich im Kristall frei bewegen. Die minimale Energie, die erforderlich ist, um sich von kovalenten Bindungen zu befreien, ist die Bandgap -Breite.
Hafnium, Als die wichtigste und nahezu unersetzlichste Anwendung in Halbleitern wird die Dielektrik -Schicht in Metalloxid -Halbleiter -Feld {- -Effekttransistoren (MOSFETs), speziell in Form seines Oxids - Hafnium -Dioxid (HFSIO (HFSIO ₂) oder HFSIO (HFSIO ₂) (HFSIO (HFSIO ₂) (HFSIO ₂) oder ITSICIDIDIDIDES (HFSIO ₂), hergestellt. Hfsion).
Warum muss es Hafnium sein? -Lösen Sie das jahrhundertealte Problem der "Gate-Leckage"
Vor dem 45 -nm -Technologieknoten war die dielektrische Gate -Schicht des Transistors aus Siliziumdioxid (SIO ₂) hergestellt worden. Da die Größe der Transistoren weiter schrumpft, muss die Siliziumdioxidschicht ebenfalls extrem dünn gemacht werden (nur wenige Atomschichten dick), dies führt jedoch zu einem tödlichen Problem: Quantentunnelungseffekt.
Problem: Die extrem dünne SiO -Schicht kann Elektronen nicht effektiv blockieren, was zu einem Stromverlust vom Tor in den Kanal führt. Dies führt zu einem starken Anstieg des Chip -Stromverbrauchs, der starken Wärmeerzeugung und dem Ende des Mooreschen Gesetzes.
Lösung: Verwenden Sie "High - K" -Materialien anstelle von SiO ₂. Nach dem Kapazitätsgesetz kann die Verwendung von hohen - k -Materialien mit dickerer physischer Dicke, aber die gleiche "elektrische äquivalente Dicke" die Kontrolle über den Kanal aufrechterhalten und gleichzeitig den Leckstrom blockieren.
Hafniumoxid (HFO ₂) ist aufgrund seiner einzigartigen umfassenden Eigenschaften die ultimative Wahl:
Hohe Dielektrizitätskonstante (K -Wert): Der k -Wert von HFO ₂ liegt bei 25, viel höher als die 3,9 von SiO ₂. Dies bedeutet, dass es physikalisch dicker gemacht werden kann, und der durch Quantentunneln verursachte Gate -Leckagestrom und den Leistungsverbrauch erheblich unterdrückt.
Gute thermische Stabilität: HFO ₂ kann sich gut zu Siliziumsubstraten verbinden und die strukturelle Stabilität während der nachfolgenden hohen - Temperaturprozesse ohne Kristallisation oder unerwünschte Reaktionen mit Silizium aufrechterhalten.
Angemessene Bandverschiebung: Es gibt eine ausreichende Leitungs- und Valenzbandverschiebung zwischen HFO ₂ und Silizium, die eine gute Energiebarriere bilden und effektiv Ladungsträger blockieren können.
Kompatibel mit vorhandenen Prozessen: Obwohl es sich um ein neues Material handelt, kann HFO ₂ mit hoher Qualität, Gleichmäßigkeit und Konformität durch Atomschichtabscheidung (ALD), einer mit CMOS -Prozessen kompatibelen Technologie, abgelagert werden, um den Anforderungen der großen Produktion von - -Skala zu erfüllen.
Leiter: Im Energieband überlappt sich das Valenzband mit dem Leitungsband oder dem Valenzband nicht vollständig mit Elektronen, was zu einer großen Anzahl frei beweglicher Elektronen und einer starken Leitfähigkeit führt.
Halbleiter: Das Valenzband im Energieband ist mit Elektronen gefüllt, aber die Bandlückenbreite ist relativ klein. Bei absoluter Null sind Halbleiter nicht - leitfähig. Wenn die Temperatur steigt oder Licht vorliegt, werden eine kleine Anzahl von Elektronen im Valenzband in das Leitungsband angeregt und Löcher im Valenzband hinterlassen. Unter der Wirkung eines externen elektrischen Feldes können sowohl Elektronen als auch Löcher an der Leitung teilnehmen.
Isolator: Das Valenzband im Energieband ist mit Elektronen gefüllt, aber die Bandlückenbreite ist groß. Bei Raumtemperatur können fast keine Elektronen für das Leitungsband angeregt werden, sodass die Leitfähigkeit extrem schlecht ist.
Die erste Generation von Halbleitermaterialien bezieht sich hauptsächlich auf Halbleitermaterialien wie Germanium (GE) und Silizium (SI), die hauptsächlich zur Trennung von Geräten und der Chipherstellung verwendet werden. In den 1950er Jahren dominierte Germanium die Halbleiterindustrie. In den späten 1960er Jahren ersetzte Silizium allmählich Germanium und wurde weit verbreitet. Silizium hat eine große Menge an Reserven in der Natur. Mit der zunehmenden Reife der großen - -Skala -Silizium -Wafervorbereitungstechnologie und Silizium - -basierte Chipherstellungsprozesse hat sich die basierte Chip -Technologie in Moore's Law schnell entwickelt und bildet eine riesige Chipindustrie. Die meisten Chips sind heutzutage Silizium - -basierte Chips wie CPUs, GPUs, Speicher, FPGAs usw.
Die zweite Generation von Halbleitermaterialien bezieht sich hauptsächlich auf zusammengesetzte Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid (GAAs), Indium -Antimonid (INSB) usw. im Vergleich zu Silizium, zusammengesetzten Semikonduktorenmaterialien haben eine große Bandgefühle, eine niedrige Trägerkonzentration, gute optoelektronische Eigenschaften sowie gute Heizwiderstand und Strahlungswiderstand. Sie werden hauptsächlich zur Herstellung von hoch - Geschwindigkeit, hoch - Frequenz, hoch - Power Luminescent Electronic Devices hergestellt und sind in Feldern wie Mikrowellenkommunikation, Satellitenkommunikation, optische Kommunikation, optoelektronische Geräte und Satelliten -Marine verwendet. Verbindliche Halbleitermaterialien sind jedoch äußerst knapp, mit Problemen wie Defekten der tiefen Ebene, Schwierigkeiten bei der Herstellung großer - -Gengröße, hoher Preise und Toxizität, die die Anwendung von zusammengesetzten Halbleitermaterialien in gewissem Maße einschränken.
Die dritten Halbleitermaterialien der - Generation werden hauptsächlich durch Siliziumkarbid (sic), Galliumnitrid (GaN) und Zinkoxid (ZnO) dargestellt, die weite Bandgap -Eigenschaften aufweisen und daher auch als breite Bandgap -Semikonductor -Materialien bekannt sind. Breite Bandgap -Halbleitermaterialien weisen Eigenschaften wie eine hohe Abbaufeldstärke, eine hohe Sättigungselektronengeschwindigkeit, hohe thermische Leitfähigkeit, hohe Elektronendichte und hohe Mobilität auf. Sie werden häufig bei der Herstellung von hohen - temperaturbeständigen, hohen - Frequenz, hohen - Leistung und strahlungsbeständige elektronische Geräte, hauptsächlich bei Halbleiterbeleuchtung, 5G -Kommunikation, Satellitenkommunikation, optischer Kommunikation, Luft- und Raum- und anderen Feldern verwendet.
Die Halbleitermaterialien der vierten Generation haben ultra breite Bandgap und eine höhere Halbleiter der dritten Generation wie Galliumoxid (GA2O3), Aluminiumnitrid (AIN), Diamant (C) usw., daher werden sie als ultra -breite Bandgap -Semikonduktor -Materialien bezeichnet. Ultra -Wide -Bandgap -Halbleitermaterialien können höhere Spannungen und Kräfte standhalten, wodurch sie für die Herstellung hocher - elektronischer Geräte und hoch - Leistung RF Electronic Devices geeignet sind. Die Produktion und Vorbereitung dieser Materialien ist jedoch schwierig und der Herstellungsprozess ist noch nicht ausgereift. Zum Beispiel kann - ga2o3 mit gut n - GA2O3 durch Doping -Spenderelemente wie Si, Ge und Sn hergestellt werden. Aufgrund des flachen Valenzbandes, der großen effektiven Masse, der einfachen Bildung von selbst eingeschlossenen Löchern und dem Selbstkompensationseffekt von - Ga2O3 -Material selbst ist P - Typ -Doping schwer zu erreichen, was es unmöglich macht, ideale homogene PN -Junkten vorzubereiten.
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