Τι είναι τα υλικά ημιαγωγών πρώτης γενιάς, δεύτερης γενιάς, τρίτης γενιάς και τέταρτης γενιάς;

Τα υλικά ημιαγωγών είναι τα υλικά με ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ αγωγών και μονωτών σε θερμοκρασία δωματίου, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως σε τομείς όπως τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, οι επικοινωνίες, η ενέργεια και η οπτοηλεκτρονική. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, τα υλικά ημιαγωγών έχουν εξελιχθεί από την πρώτη γενιά στην τέταρτη γενιά.

Στα μέσα του 20ου αιώνα, η πρώτη γενιά ημιαγωγών υλικών αποτελούνταν κυρίως από γερμάνιο (Ge) καιπυρίτιο(Σι). Συγκεκριμένα, το πρώτο τρανζίστορ και το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα στον κόσμο κατασκευάστηκαν και τα δύο από γερμάνιο. Αλλά σταδιακά αντικαταστάθηκε από πυρίτιο στα τέλη της δεκαετίας του 1960, λόγω των μειονεκτημάτων του όπως η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, το χαμηλό σημείο τήξης, η κακή αντίσταση σε υψηλή θερμοκρασία, η ασταθής δομή υδατοδιαλυτών οξειδίων και η μηχανική αντοχή της εβδομάδας. Χάρη στην ανώτερη αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες, την εξαιρετική αντίσταση στην ακτινοβολία, την αξιοσημείωτη οικονομική αποδοτικότητα και τα άφθονα αποθέματα, το πυρίτιο αντικατέστησε σταδιακά το γερμάνιο ως το κύριο υλικό και διατήρησε αυτή τη θέση μέχρι σήμερα.

Στη δεκαετία του 1990, άρχισε να εμφανίζεται η δεύτερη γενιά ημιαγωγών υλικών, με αντιπροσωπευτικά υλικά το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) και το φωσφίδιο του ινδίου (InP). Τα δεύτερα υλικά ημιαγωγών προσφέρουν πλεονεκτήματα όπως μεγάλο διάκενο ζώνης, χαμηλή συγκέντρωση φορέα, ανώτερες οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες, καθώς και εξαιρετική θερμική αντίσταση και αντοχή στην ακτινοβολία. Αυτά τα πλεονεκτήματα τα κάνουν να χρησιμοποιούνται ευρέως στην επικοινωνία μικροκυμάτων, την δορυφορική επικοινωνία, την οπτική επικοινωνία, τις οπτοηλεκτρονικές συσκευές και τη δορυφορική πλοήγηση. Ωστόσο, οι εφαρμογές σύνθετων ημιαγωγών υλικών περιορίζονται από θέματα όπως τα σπάνια αποθέματα, το υψηλό κόστος υλικών, η εγγενής τοξικότητα, τα ελαττώματα σε βάθος και η δυσκολία στην κατασκευή πλακιδίων μεγάλου μεγέθους.

Στον 21ο αιώνα, τα υλικά ημιαγωγών τρίτης γενιάς όπωςκαρβίδιο του πυριτίουΤο (SiC), το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO) δημιουργήθηκαν. Γνωστά ως υλικά ημιαγωγών ευρείας ζώνης, τα υλικά ημιαγωγών τρίτης γενιάς παρουσιάζουν εξαιρετικές ιδιότητες όπως υψηλή τάση διάσπασης, υψηλή ταχύτητα κορεσμού ηλεκτρονίων, εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και εξαιρετική αντίσταση στην ακτινοβολία. Αυτά τα υλικά είναι κατάλληλα για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών που λειτουργούν σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής τάσης, υψηλής συχνότητας, υψηλής ακτινοβολίας και υψηλής ισχύος.

Σήμερα, τα υλικά ημιαγωγών τέταρτης γενιάς αντιπροσωπεύονται απόοξείδιο του γαλλίου(Ga2O3), διαμάντι (C) και νιτρίδιο αργιλίου (AlN). Αυτά τα υλικά ονομάζονται ημιαγωγικά υλικά εξαιρετικά ευρείας ζώνης, με υψηλότερη ένταση πεδίου διάσπασης από τους ημιαγωγούς τρίτης γενιάς. Μπορούν να αντέξουν υψηλότερες τάσεις και επίπεδα ισχύος, κατάλληλα για την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ισχύος και ηλεκτρονικών συσκευών ραδιοσυχνοτήτων υψηλής απόδοσης. Ωστόσο, η αλυσίδα κατασκευής και εφοδιασμού αυτών των υλικών ημιαγωγών τέταρτης γενιάς δεν είναι ώριμη, θέτοντας σημαντικές προκλήσεις στην παραγωγή και την προετοιμασία.