Silikon yarımkeçirici çiplərin gələcək perspektivlərinin araşdırılması

Yarımkeçiricilərin texnologiyada rolunu nə müəyyənləşdirir?

Materiallar elektrik keçiriciliyinə görə təsnif edilə bilər - cərəyan keçiricilərdə asanlıqla axır, lakin izolyatorlarda olmur. Yarımkeçiricilər arasına düşür: onlar xüsusi şəraitdə elektrik cərəyanını keçirə bilirlər ki, bu da onları hesablamada son dərəcə faydalı edir. Yarımkeçiricilərdən mikroçiplər üçün əsas kimi istifadə etməklə, biz bu gün etibar etdiyimiz bütün əlamətdar funksiyaları təmin edərək, cihazlarda elektrik axınına nəzarət edə bilərik.

Yarandıqları gündən,silikon“Silikon Vadisi” termininə gətirib çıxaran çip və texnologiya sənayesində üstünlük təşkil etdi. Bununla belə, gələcək texnologiyalar üçün ən uyğun material olmaya bilər. Bunu başa düşmək üçün çiplərin necə işlədiyinə, mövcud texnoloji çətinliklərə və gələcəkdə silikonu əvəz edə biləcək materiallara yenidən baxmalıyıq.

Mikroçiplər girişləri kompüter dilinə necə tərcümə edir?

Mikroçiplər klaviatura girişlərini və proqram proqramlarını kompüter dilinə - ikili koda çevirən tranzistorlar adlanan kiçik açarlarla doldurulur. Açar açıq olduqda, cərəyan '1'i təmsil edə bilər; bağlandıqda, '0'ı təmsil edə bilməz. Müasir kompüterlərin etdiyi hər şey son nəticədə bu açarlara qədər qaynayır.

Onilliklər ərzində biz mikroçiplərdəki tranzistorların sıxlığını artırmaqla hesablama gücünü təkmilləşdirmişik. İlk mikroçip yalnız bir tranzistordan ibarət olsa da, bu gün biz milyardlarla bu kiçik açarı dırnaq ölçüsündə çiplərə daxil edə bilərik.

İlk mikroçip germaniumdan hazırlanmışdı, lakin texnologiya sənayesi bunu tez başa düşdüsilikonçip istehsalı üçün üstün material idi. Silikonun əsas üstünlükləri onun bolluğu, aşağı qiyməti və daha yüksək ərimə nöqtəsidir, yəni yüksək temperaturda daha yaxşı işləyir. Bundan əlavə, silikonun digər materiallarla "aşqarlanması" asandır və mühəndislərə onun keçiriciliyini müxtəlif yollarla tənzimləməyə imkan verir.

Müasir hesablamalarda silikon hansı problemlərlə üzləşir?

Daim tranzistorları daraltmaqla daha sürətli, daha güclü kompüterlər yaratmağın klassik strategiyasısilikonfişlər axmağa başlayır. Pensilvaniya Universitetinin mühəndislik professoru Deep Jariwala, 2022-ci ildə The Wall Street Journal-a verdiyi müsahibədə dedi: “Silikon belə kiçik ölçülərdə işləyə bilsə də, hesablama üçün tələb olunan enerji səmərəliliyi yüksəlir və onu son dərəcə dayanıqsız edir. Enerji baxımından bunun artıq mənası yoxdur”.

Ətraf mühitə daha çox zərər vermədən texnologiyamızı təkmilləşdirməyə davam etmək üçün bu davamlılıq problemini həll etməliyik. Bu axtarışda bəzi tədqiqatçılar silikondan başqa yarımkeçirici materiallardan, o cümlədən qalium və azotdan hazırlanmış bir birləşmə olan qalium nitridi (GaN) olan çipləri yaxından araşdırırlar.

Qallium nitridi niyə yarımkeçirici material kimi diqqəti cəlb edir?

Yarımkeçiricilərin elektrik keçiriciliyi, ilk növbədə, "band boşluğu" kimi tanınan şeyə görə dəyişir. Protonlar və neytronlar nüvədə toplanır, elektronlar isə onun ətrafında fırlanır. Materialın elektrik cərəyanını keçirməsi üçün elektronlar “valentlik zolağından” “keçirici zolağa” keçə bilməlidir. Bu keçid üçün tələb olunan minimum enerji materialın bant boşluğunu müəyyən edir.

Konduktorlarda bu iki bölgə üst-üstə düşür, nəticədə heç bir bant boşluğu yoxdur - elektronlar bu materiallardan sərbəst keçə bilər. İzolyatorlarda bant boşluğu çox böyükdür, bu da tətbiq olunan əhəmiyyətli enerji ilə elektronların keçməsini çətinləşdirir. Yarımkeçiricilər, silikon kimi, orta yer tutur;silikon1,12 elektron volt (eV) bir bant boşluğuna malikdir, qallium nitridi isə 3,4 eV diapazonuna malikdir və onu "geniş diapazonlu yarımkeçirici" (WBGS) kimi təsnif edir.

WBGS materialları keçiricilik spektrində izolyatorlara daha yaxındır, elektronların iki zolaq arasında hərəkət etməsi üçün daha çox enerji tələb edir, bu da onları çox aşağı gərginlikli tətbiqlər üçün yararsız edir. Bununla belə, WBGS daha yüksək gərginliklərdə, temperaturlarda və enerji tezliklərində işləyə bilərsilikon əsaslıyarımkeçiricilər, onlardan istifadə edən cihazların daha sürətli və daha səmərəli işləməsinə imkan verir.

Cambridge GaN Mərkəzinin direktoru Reyçel Oliver Freethink-ə deyib: “Əlinizi telefon şarj cihazına qoysanız, isti hiss edəcək; bu, silikon çipləri tərəfindən israf edilən enerjidir. GaN şarj cihazları toxunuşda daha sərin hiss edir - əhəmiyyətli dərəcədə daha az enerji sərf olunur.

Qallium və onun birləşmələri onilliklər ərzində texnologiya sənayesində, o cümlədən işıq yayan diodlarda, lazerlərdə, hərbi radarlarda, peyklərdə və günəş batareyalarında istifadə edilmişdir. Bununla belə,qalium nitridihal-hazırda texnologiyanı daha güclü və enerjiyə qənaət etməyə ümid edən tədqiqatçıların diqqət mərkəzindədir.

Qallium nitridin gələcək üçün hansı təsirləri var?

Oliverin qeyd etdiyi kimi, GaN telefon şarj cihazları artıq bazardadır və tədqiqatçılar bu materialdan elektrik nəqliyyat vasitələri ilə bağlı əhəmiyyətli istehlakçı narahatlığını aradan qaldıraraq daha sürətli elektrikli avtomobil şarj cihazlarını inkişaf etdirmək üçün istifadə etməyi hədəfləyirlər. "Elektrikli avtomobillər kimi cihazlar daha tez şarj edə bilər" dedi Oliver. "Daşınan güc və sürətli şarj tələb edən hər şey üçün qallium nitridin əhəmiyyətli potensialı var."

Qallium nitridihəmçinin hərbi təyyarələrin və dronların radar sistemlərini təkmilləşdirə bilər ki, bu da onlara daha uzaq məsafələrdən hədəfləri və təhdidləri müəyyən etməyə imkan verir və süni intellekt inqilabını əlverişli və davamlı etmək üçün mühüm əhəmiyyət kəsb edən məlumat mərkəzi serverlərinin səmərəliliyini artırır.

Bunu nəzərə alaraqqalium nitridibir çox aspektlərdə üstündür və bir müddətdir ki, mikroçip sənayesi niyə silikon ətrafında qurulmağa davam edir? Cavab, həmişə olduğu kimi, qiymətdədir: GaN çipləri daha bahalı və istehsalı mürəkkəbdir. Xərclərin azaldılması və istehsalın miqyasının artırılması vaxt aparacaq, lakin ABŞ hökuməti bu inkişaf etməkdə olan sənayeni işə salmaq üçün fəal şəkildə çalışır.

2024-cü ilin fevral ayında ABŞ yerli çip istehsalını genişləndirmək üçün CHIPS və Elm Aktı çərçivəsində yarımkeçiricilər istehsal edən GlobalFoundries şirkətinə 1,5 milyard dollar ayırdı.

 Bu vəsaitin bir hissəsi Vermontdakı bir istehsal müəssisəsini təkmilləşdirmək üçün istifadə olunacaq və bu, onun kütləvi istehsalına imkan verəcəkdir.qalium nitridi(GaN) yarımkeçiricilər, hazırda ABŞ-da həyata keçirilməyən bir qabiliyyət maliyyələşdirmə elanına görə, bu yarımkeçiricilər elektrik avtomobillərində, məlumat mərkəzlərində, smartfonlarda, elektrik şəbəkələrində və digər texnologiyalarda istifadə olunacaq. 

Bununla belə, ABŞ istehsal sektorunda normal əməliyyatları bərpa edə bilsə belə,GaNçiplər qalliumun sabit tədarükündən asılıdır, buna hazırda zəmanət verilmir. 

Qallium nadir olmasa da - Yer qabığında mis ilə müqayisə edilə bilən səviyyədə mövcuddur - mis kimi böyük, hasil edilə bilən yataqlarda mövcud deyil. Buna baxmayaraq, alüminium və sink olan filizlərdə az miqdarda qallium tapıla bilər ki, bu da bu elementlərin emalı zamanı onun toplanmasına imkan verir. 

2022-ci ilə qədər dünya qalliumunun təxminən 90%-i Çində istehsal edilib. Bu arada, ABŞ 1980-ci illərdən bəri qalium istehsal etmir, qalliumun 53%-i Çindən, qalan hissəsi isə digər ölkələrdən gətirilir. 

2023-cü ilin iyul ayında Çin milli təhlükəsizlik səbəbi ilə qalium və digər materialın, germaniumun ixracını məhdudlaşdırmağa başlayacağını açıqladı. 

Çinin qaydaları ABŞ-a qalium ixracını açıq şəkildə qadağan etmir, lakin onlar potensial alıcılardan icazələr üçün müraciət etmələrini və Çin hökumətindən razılıq almalarını tələb edir. 

ABŞ-ın müdafiə podratçıları, xüsusən də Çinin “etibarsız təşkilatlar siyahısında” qeyd olunsalar, rədd cavabları ilə üzləşəcəklər. İndiyə qədər, bu məhdudiyyətlər, Çin gələcəkdə bu material üzərində nəzarəti gücləndirməyi seçə bilsə də, əksər çip istehsalçıları üçün açıq qıtlıqdan daha çox qalium qiymətlərinin artmasına və sifariş çatdırılma müddətinin uzadılmasına səbəb oldu. 

ABŞ kritik minerallar üçün Çinə böyük etibarı ilə bağlı riskləri çoxdan qəbul edir - 2010-cu ildə Yaponiya ilə mübahisə zamanı Çin nadir torpaq metallarının ixracını müvəqqəti olaraq qadağan etdi. Çin 2023-cü ildə məhdudiyyətlərini elan edəndə, ABŞ artıq təchizat zəncirlərini gücləndirmək üsullarını araşdırırdı. 

Mümkün alternativlərə Kanada kimi digər ölkələrdən qalium idxalı (əgər onlar istehsalı kifayət qədər artıra bilsələr) və elektron tullantılardan materialın təkrar emalı daxildir - bu sahədə tədqiqatlar ABŞ Müdafiə Nazirliyinin Qabaqcıl Araşdırma Layihələri Agentliyi tərəfindən maliyyələşdirilir. 

Qalliumun daxili tədarükünün yaradılması da bir seçimdir. 

Hollandiyada yerləşən Nyrstar şirkəti, Tennessidəki sink zavodunun ABŞ-ın cari tələbatının 80%-ni qarşılamaq üçün kifayət qədər qalium hasil edə biləcəyini, lakin emal müəssisəsinin tikintisinin 190 milyon dollara başa gələcəyini bildirdi. Hazırda şirkət genişlənmənin maliyyələşdirilməsi üçün ABŞ hökuməti ilə danışıqlar aparır.

Potensial qallium mənbələrinə Texas ştatının Round Top şəhərindəki yataq da daxildir. 2021-ci ildə ABŞ Geoloji Tədqiqat Xidməti bu yatağın təxminən 36.500 ton qallium olduğunu təxmin etdi - müqayisədə Çin 2022-ci ildə 750 ton qalium istehsal etdi. 

Tipik olaraq, qallium iz miqdarda baş verir və son dərəcə səpələnmişdir; lakin, 2024-cü ilin martında American Critical Materials Corp. Montana ştatındakı Kootenai Milli Meşəsində yüksək keyfiyyətli qalliumun nisbətən yüksək konsentrasiyası olan yataq kəşf etdi. 

Hazırda Texas və Montanadan qallium hələ çıxarılmayıb, lakin Aydaho Milli Laboratoriyası və American Critical Materials Corp.-dan olan tədqiqatçılar bu materialı əldə etmək üçün ekoloji cəhətdən təmiz bir üsul hazırlamaq üçün əməkdaşlıq edirlər. 

Qallium ABŞ üçün mikroçip texnologiyasını təkmilləşdirmək üçün yeganə seçim deyil - Çin bəzi məhdudiyyətsiz materiallardan istifadə edərək daha təkmil çiplər istehsal edə bilər ki, bu da bəzi hallarda qalium əsaslı çipləri üstələyə bilər. 

2024-cü ilin oktyabr ayında çip istehsalçısı Wolfspeed ABŞ-da ən böyük silisium karbid (həmçinin SiC kimi də tanınır) çip istehsalı müəssisəsinin tikintisi üçün CHIPS Aktı vasitəsilə 750 milyon dollara qədər maliyyə vəsaiti təmin etdi.qalium nitridilakin yüksək güclü günəş elektrik stansiyaları kimi müəyyən tətbiqlər üçün üstünlük təşkil edir. 

Oliver Freethink-ə dedi: “Qallium nitridi müəyyən gərginlik diapazonlarında çox yaxşı işləyir,silisium karbidbaşqalarında daha yaxşı çıxış edir. Beləliklə, bu, işlədiyiniz gərginlik və gücdən asılıdır." 

ABŞ həmçinin 3,4 eV-dən çox diapazonlu geniş diapazonlu yarımkeçiricilərə əsaslanan mikroçiplər üzrə tədqiqatları maliyyələşdirir. Bu materiallara almaz, alüminium nitridi və bor nitridi daxildir; onlar bahalı və emal etmək çətin olsa da, bu materiallardan hazırlanmış çiplər bir gün daha aşağı ekoloji xərclərlə əlamətdar yeni funksiyalar təklif edə bilər.

 “Əgər siz dəniz külək enerjisinin quru şəbəkəsinə ötürülməsində iştirak edə biləcək gərginlik növlərindən danışırsınızsa,qalium nitridiuyğun olmaya bilər, çünki o, bu gərginliyi idarə edə bilməz "deyə Oliver izah etdi. "Geniş diapazonlu alüminium nitrid kimi materiallar ola bilər."