Njelajah Prospek Masa Depan Kripik Semikonduktor Silikon

Apa sing nemtokake peran semikonduktor ing teknologi?

Bahan bisa digolongake adhedhasar konduktivitas listrik-arus gampang mili ing konduktor nanging ora bisa ing insulator. Semikonduktor ana ing antarane: bisa nindakake listrik ing kahanan tartamtu, saengga migunani banget ing komputasi. Kanthi nggunakake semikonduktor minangka dhasar kanggo microchip, kita bisa ngontrol aliran listrik ing piranti, mbisakake kabeh fungsi luar biasa sing kita andalake saiki.

Wiwit diwiwiti,silikonwis ndominasi industri chip lan teknologi, anjog menyang istilah "Silicon Valley." Nanging, bisa uga ora dadi bahan sing paling cocok kanggo teknologi mangsa ngarep. Kanggo ngerteni iki, kita kudu mriksa maneh babagan fungsi chip, tantangan teknologi saiki, lan bahan sing bisa ngganti silikon ing mangsa ngarep.

Kepiye microchip nerjemahake input menyang basa komputer?

Microchip diisi karo saklar cilik sing disebut transistor, sing nerjemahake input keyboard lan program piranti lunak menyang basa komputer - kode biner. Nalika saklar mbukak, saiki bisa mili, makili '1'; nalika ditutup, ora bisa, makili '0'. Kabeh sing ditindakake dening komputer modern pungkasane dadi saklar kasebut.

Wis pirang-pirang dekade, kita wis nambah daya komputasi kanthi nambah kapadhetan transistor ing microchip. Nalika microchip pisanan mung ngemot siji transistor, dina iki kita bisa encapsulate milyaran switch cilik iki ing chip ukuran kuku.

Microchip pisanan digawe saka germanium, nanging industri teknologi kanthi cepet nyadarisilikonminangka bahan unggul kanggo manufaktur chip. Kauntungan utama silikon kalebu kelimpahan, biaya murah, lan titik lebur sing luwih dhuwur, sing tegese luwih apik ing suhu sing luwih dhuwur. Kajaba iku, silikon gampang "didoping" karo bahan liyane, ngidini para insinyur nyetel konduktivitas kanthi macem-macem cara.

Tantangan apa sing ditindakake silikon ing komputasi modern?

Strategi klasik nggawe komputer sing luwih cepet lan luwih kuat kanthi terus nyusut transistorsilikonKripik wiwit falter. Deep Jariwala, profesor teknik ing Universitas Pennsylvania, ujar ing wawancara 2022 karo The Wall Street Journal, "Nalika silikon bisa digunakake ing dimensi cilik, efisiensi energi sing dibutuhake kanggo komputasi saya mundhak, saengga ora bisa lestari. Saka sudut pandang energi, ora ana gunane maneh.

Kanggo terus ningkatake teknologi tanpa ngrusak lingkungan, kita kudu ngatasi masalah kelestarian iki. Ing mburu iki, sawetara peneliti nliti kripik sing digawe saka bahan semikonduktor liyane saka silikon, kalebu gallium nitride (GaN), senyawa sing digawe saka gallium lan nitrogen.

Napa gallium nitride entuk perhatian minangka bahan semikonduktor?

Konduktivitas listrik semikonduktor beda-beda, utamane amarga sing dikenal minangka "bandgap". Proton lan neutron kluster ing inti, nalika elektron ngubengi. Kanggo bahan kanggo nindakake listrik, elektron kudu bisa mlumpat saka "pita valensi" menyang "pita konduksi." Energi minimal sing dibutuhake kanggo transisi iki nemtokake bandgap materi.

Ing konduktor, rong wilayah kasebut tumpang tindih, lan ora ana celah pita - elektron bisa ngliwati bahan kasebut kanthi bebas. Ing insulator, celah pita gedhe banget, dadi angel kanggo elektron kanggo ngliwati sanajan nganggo energi sing signifikan. Semikonduktor, kaya silikon, manggoni lemah tengah;silikonnduweni celah pita 1,12 volt elektron (eV), dene galium nitrida nduweni celah pita 3,4 eV, digolongake minangka "semikonduktor celah pita lebar" (WBGS).

Bahan WBGS luwih cedhak karo insulator ing spektrum konduktivitas, mbutuhake energi luwih akeh kanggo elektron kanggo mindhah antarane rong pita kasebut, saengga ora cocog kanggo aplikasi voltase sithik. Nanging, WBGS bisa operate ing voltase, suhu, lan frekuensi energi sing luwih dhuwur tinimbangbasis silikonsemikonduktor, ngidini piranti sing digunakake kanggo mbukak luwih cepet lan luwih irit.

Rachel Oliver, direktur Cambridge GaN Centre, marang Freethink, "Yen sampeyan sijine tangan ing pangisi daya telpon, iku bakal kroso panas; iku energi boroske dening Kripik silikon. Pangisi daya GaN krasa luwih adhem yen disentuh-ora ana energi sing boroske.

Gallium lan senyawa kasebut wis digunakake ing industri teknologi sajrone pirang-pirang dekade, kalebu ing dioda pemancar cahya, laser, radar militer, satelit, lan sel surya. Nanging,gallium nitridasaiki dadi fokus peneliti sing ngarep-arep supaya teknologi luwih kuat lan hemat energi.

Apa implikasi gallium nitride kanggo masa depan?

Kaya sing wis dingerteni Oliver, pangisi daya telpon GaN wis ana ing pasar, lan peneliti ngarahake nggunakake materi iki kanggo ngembangake pangisi daya kendaraan listrik sing luwih cepet, ngatasi masalah konsumen sing signifikan babagan kendaraan listrik. "Piranti kaya kendaraan listrik bisa ngisi daya luwih cepet," ujare Oliver. "Kanggo apa wae sing mbutuhake daya portabel lan ngisi daya kanthi cepet, gallium nitride duweni potensi sing signifikan."

Gallium nitrideuga bisa ningkatake sistem radar pesawat militer lan drone, supaya bisa ngenali target lan ancaman saka jarak sing luwih gedhe, lan ningkatake efisiensi server pusat data, sing penting kanggo nggawe revolusi AI terjangkau lan lestari.

Diwenehigallium nitridaunggul ing akeh aspèk lan wis watara kanggo sawetara wektu, kok industri microchip terus kanggo mbangun watara silikon? Jawaban, minangka tansah, dumunung ing biaya: Kripik GaN luwih larang lan Komplek kanggo Pabrik. Ngurangi biaya lan produksi skala bakal mbutuhake wektu, nanging pamrentah AS aktif digunakake kanggo miwiti industri sing berkembang iki.

Ing Februari 2024, Amerika Serikat nyedhiyakake $ 1.5 milyar kanggo perusahaan manufaktur semikonduktor GlobalFoundries miturut Undhang-undhang CHIPS lan Ilmu Pengetahuan kanggo ngembangake produksi chip domestik.

 Bagéyan saka dana iki bakal digunakake kanggo nganyarke fasilitas manufaktur ing Vermont, supaya bisa ngasilake massal.gallium nitridaSemikonduktor (GaN), kemampuan sing saiki ora diwujudake ing AS Miturut woro-woro pendanaan, semikonduktor kasebut bakal digunakake ing kendaraan listrik, pusat data, smartphone, jaringan listrik, lan teknologi liyane. 

Nanging, sanajan AS bisa mulihake operasi normal ing sektor manufaktur, produksiGanKripik gumantung ing sumber stabil saka gallium, kang saiki ora dijamin. 

Nalika gallium ora langka - ana ing kerak bumi ing tingkat sing bisa dibandhingake karo tembaga - ora ana ing celengan gedhe sing bisa ditambang kaya tembaga. Nanging, jumlah tilak gallium bisa ditemokake ing bijih sing ngemot aluminium lan seng, saéngga bisa diklumpukake nalika ngolah unsur kasebut. 

Ing taun 2022, kira-kira 90% saka galium ing donya diprodhuksi ing China. Sauntara kuwi, AS ora ngasilake gallium wiwit taun 1980-an, kanthi 53% saka gallium diimpor saka China lan sisane saka negara liya. 

Ing Juli 2023, China ngumumake bakal miwiti mbatesi ekspor gallium lan bahan liyane, germanium, amarga alasan keamanan nasional. 

Peraturan China ora langsung nglarang ekspor gallium menyang AS, nanging mbutuhake panuku potensial kanggo njaluk ijin lan entuk persetujuan saka pamrentah China. 

Kontraktor pertahanan AS meh mesthi ngadhepi penolakan, utamane yen kadhaptar ing "dhaptar entitas sing ora bisa dipercaya." Nganti saiki, watesan iki katon nyebabake kenaikan rega gallium lan wektu pangiriman pesenan sing luwih dawa kanggo umume produsen chip, tinimbang kekurangan langsung, sanajan China bisa milih ngencengi kontrol babagan materi iki ing mangsa ngarep. 

AS wis suwe ngakoni risiko sing ana gandhengane karo ketergantungan gedhe marang China kanggo mineral kritis-sajrone regejegan karo Jepang ing 2010, China nglarang sementara ekspor logam langka. Nalika China ngumumake larangan ing taun 2023, AS wis njelajah cara kanggo nguatake rantai pasokan. 

Alternatif sing bisa uga kalebu ngimpor gallium saka negara liya, kayata Kanada (yen bisa nggedhekake produksi kanthi cukup), lan daur ulang materi saka sampah elektronik - riset ing wilayah iki didanai dening Badan Proyek Riset Lanjut Departemen Pertahanan AS. 

Nggawe pasokan gallium domestik uga minangka pilihan. 

Nyrstar, perusahaan sing adhedhasar ing Walanda, nuduhake yen pabrik seng ing Tennessee bisa ngekstrak gallium sing cukup kanggo nyukupi 80% panjaluk AS saiki, nanging mbangun fasilitas pangolahan bakal biaya nganti $190 yuta. Perusahaan iki saiki rembugan karo pamrentah AS kanggo pendanaan ekspansi.

Potensi sumber gallium uga kalebu simpenan ing Round Top, Texas. Ing taun 2021, Survei Geologi AS ngira manawa simpenan iki ngemot kira-kira 36.500 ton gallium - miturut perbandingan, China ngasilake 750 ton galium ing taun 2022. 

Biasane, gallium ana ing jumlah cilik lan nyebar banget; Nanging, ing Maret 2024, American Critical Materials Corp. nemokake simpenan kanthi konsentrasi gallium kualitas dhuwur sing relatif dhuwur ing Hutan Nasional Kootenai ing Montana. 

Saiki, galium saka Texas lan Montana durung diekstrak, nanging peneliti saka Laboratorium Nasional Idaho lan American Critical Materials Corp. 

Gallium ora mung pilihan kanggo AS kanggo nambah teknologi microchip-China bisa gawé chip luwih maju nggunakake sawetara bahan unconstrained, kang ing sawetara kasus bisa ngluwihi chip basis gallium. 

Ing Oktober 2024, pabrikan chip Wolfspeed entuk pendanaan nganti $750 yuta liwat Undhang-undhang CHIPS kanggo mbangun fasilitas manufaktur chip silikon karbida (uga dikenal minangka SiC) paling gedhe ing AS. Jenis chip iki luwih larang tinimbanggallium nitridananging luwih disenengi kanggo aplikasi tartamtu, kayata pembangkit listrik tenaga surya kanthi daya dhuwur. 

Oliver marang Freethink, "Gallium nitride performs banget ing sawetara voltase tartamtu, nalikasilikon karbidanindakake luwih apik ing wong liya. Dadi gumantung saka voltase lan daya sing sampeyan lakoni. 

AS uga mbiayai riset menyang microchips adhedhasar semikonduktor wide-bandgap, sing duwe bandgap luwih saka 3,4 eV. Bahan kasebut kalebu berlian, aluminium nitrida, lan boron nitride; sanajan larang regane lan angel diproses, Kripik sing digawe saka bahan kasebut bisa uga menehi fungsi anyar sing luar biasa kanthi biaya lingkungan sing luwih murah.

 "Yen sampeyan ngomong babagan jinis voltase sing bisa ditrapake kanggo ngirim tenaga angin lepas pantai menyang jaringan darat,gallium nitridabisa uga ora cocok, amarga ora bisa nangani voltase kasebut, "jelas Oliver. "Material kaya aluminium nitride, sing amba-bandgap, bisa."