Warum wird Silizium für die Herstellung von Halbleitern benötigt?

Erstens ist Silizium weder für die Herstellung von Halbleitern noch für den Betrieb von Halbleiterbauelementen erforderlich. Die ersten kommerziell erfolgreichen Transistoren waren Germanium, und andere Halbleitermaterialien (z. B. Selen, Kupferoxid usw.) wurden zur Herstellung von Gleichrichtern verwendet, bevor Transistoren auf den Markt kamen. Darüber hinaus gibt es eine große Anzahl anderer halbleitender Materialien (wie Galliumarsenid), die funktionieren – einige sogar kommerziell.

Zweitens gibt es spezifische Beschränkungen dafür, was einen Halbleiter in einem Halbleiterbauelement funktionieren lässt. Eine vollständige Behandlung geht auf die Quantenphysik ein, die ich weder geneigt noch vollständig qualifiziert bin noch den Platz habe, sie hier vollständig zu beschreiben. Grundsätzlich funktionieren Halbleiterbauelemente jedoch, weil die verfügbaren Zustände, in denen Elektronen innerhalb des Materials existieren können, getrennt sind. Dies führt zu den Begriffen "Valenzband", "Leitungsband" und "Bandlücke". Sie benötigen ein Material, das unterschiedliche Valenz- und Leitungsbänder unterstützt und das auf P-Typ oder N-Typ abgestimmt werden kann. Alle Halbleitermaterialien tun dies.

Elementares Gallium hat überlappende Leitungs- und Valenzbänder, also ist es ein Metall. Es kann Teil eines Halbleiters sein, aber es ist kein Halbleiter. Elementarer Phosphor hat Leitungs- und Valenzbänder, die so weit voneinander entfernt sind, dass er ein Isolator ist. Es kann Teil eines Halbleiters sein, aber es ist kein Halbleiter.

Ein PN-Übergang benötigt einen Halbleiter. Dies ist ein Material, das „auf halbem Weg“ zwischen einem Leiter und einem Isolator liegt. Es leitet nicht nur weniger gut als Metall; Es ist so, dass Träger (Elektronen und Löcher) im Material auf unterschiedliche Energieniveaus beschränkt sind (denken Sie an Fußböden in einem Gebäude). Außerdem benötigen Sie für einen PN-Übergang zwei Sätze mit deutlich unterschiedlichen Pegeln.

Darüber hinaus ist es nicht „nur eine Verbindung“ erforderlich. Die Kristallstruktur muss über den Übergang hinweg kontinuierlich sein, sonst werden die Energieniveaus "ausgebreitet" und das gewünschte Verhalten (Leitung in nur eine Richtung) tritt nicht auf.

Beachten Sie, dass nicht nur Silizium ein praktischer Halbleiter ist, sondern auch Germanium. Halbleiter bestehen auch aus Galliumarsenid (wie in LEDs); Galliumnitrid (GaN – wird in Hochfrequenz-HF-Schaltkreisen wie 5G-Handysendern verwendet), Siliziumkarbid (SiC – wird häufig in Elektrofahrzeugen zum Antrieb des Motors verwendet) und sogar Diamant für Schaltungen mit extrem hohen Temperaturen.

Grundsätzlich benötigen Sie ein kristallines Nichtmetall (das daher unterschiedliche Energieniveaus hat), eine Trennung zwischen diesen Niveaus, die nicht zu groß ist (damit praktische Stromniveaus fließen können); nicht zu klein (oder es fließt zu viel Strom – Germanium liegt in diesem Bereich); und ist praktisch für Doping (das die Energieniveaus ändert). Silizium ist dafür hervorragend geeignet – es ist reichlich vorhanden (so niedrige Kosten); leicht zu reinigen; robust (stark); einfach zu dotieren, aber chemisch ziemlich inert.

Halbleitergleichrichter werden seit den 1920er Jahren verwendet. Typischerweise mit Kupferoxid oder Selen

Metallgleichrichter bestehen aus scheibenartigen Scheiben aus verschiedenen Metallen, entweder aus Kupfer (mit einer Oxidschicht zur Gleichrichtung) oder aus mit Selen beschichtetem Stahl oder Aluminium. Die Scheiben sind oft durch Abstandshülsen getrennt, um für Kühlung zu sorgen.

Es ist nicht. Und Phosphor, in seiner allotropen Form namens schwarzer Phosphor, ist eigentlich ein Halbleiter und könnte verwendet werden; das problem ist, dass es teuer ist .

Schwarzer Phosphor (BP), ein neuartiges zweidimensionales (2D) geschichtetes Halbleitermaterial, hat seit 2014 aufgrund seiner herausragenden Ladungsträgermobilität, seiner dickenabhängigen direkten Bandlücke und seiner anisotropen physikalischen Eigenschaften in der Ebene enorme Aufmerksamkeit erregt. SP gilt als vielversprechendes Material für viele Anwendungen, beispielsweise in Transistoren, Photonik, Optoelektronik, Sensoren, Batterien und Katalyse. Die Entwicklung von BP wurde jedoch durch seine Instabilität unter Umgebungsbedingungen sowie durch das Fehlen von Methoden zur Synthese großflächiger und hochwertiger 2D-Nanofilme behindert.

Galliumnitrid ist ein III/V (drei-fünf) Halbleiter. Es ist am besten bekannt als die blaue LED, die die Grundlage für die Herstellung der Milliarden und Abermilliarden von weißen LEDs ist, die auf dem Markt sind. Die weißen LEDs sind GalliumNitrid (GaN)-Dioden mit einigen Leuchtstoffen, um die grünen und roten Emissionen zu erzeugen, um eine "weiße" LED zu erzeugen.

Das Interesse an GaN-Halbleitern für Transistoren wächst und Unternehmen wie CUI verwenden kommerziell hergestellte GAN-Transistoren für Hochfrequenz-Stromversorgungen (kleinere Anzeigen, weniger Welligkeit, weniger Wärmeverlust, ...). Außerdem kann GaN verwendet werden, um Schaltkreise effizient bei Frequenzen laufen zu lassen, die weit über dem liegen, wo Silizium anfängt, ineffizient (sehr ineffizient) zu werden. Mikrowellenfrequenzen über 70 GHz, die für Automobilradar verwendet werden, sind für GaN kein Problem.