Ang mga materyales sa semiconductor milambo pinaagi sa tulo nga mga pagbag-o nga henerasyon:
Ang 1st Gen (Si/Ge) nagpahimutang sa pundasyon sa modernong elektroniko,
Ang 2nd Gen (GaAs/InP) nakalusot sa optoelectronic ug high-frequency nga mga babag aron mapalihok ang rebolusyon sa impormasyon,
Ang 3rd Gen (SiC/GaN) karon nag-atubang sa mga hagit sa enerhiya ug grabeng kalikopan, nga nakapahimo sa carbon neutrality ug 6G nga panahon.
Kini nga pag-uswag nagpadayag sa usa ka paradigm nga pagbalhin gikan sa versatility ngadto sa espesyalisasyon sa materyal nga siyensiya.
1. First-Generation Semiconductors: Silicon (Si) ug Germanium (Ge)
Kasaysayan sa Kaagi
Sa 1947, ang Bell Labs nag-imbento sa germanium transistor, nga nagtimaan sa kaadlawon sa semiconductor nga panahon. Sa 1950s, ang silicon inanay nga mipuli sa germanium isip pundasyon sa integrated circuits (ICs) tungod sa lig-on nga oxide layer (SiO₂) ug abunda nga natural reserves.
Mga Kinaiya sa Materyal
ⅠBandgap:
Germanium: 0.67eV (hiktin nga bandgap, prone sa leakage nga kasamtangan, dili maayo nga performance sa taas nga temperatura).
Silicon: 1.12eV (dili direkta nga bandgap, angay alang sa logic circuits apan dili makahimo sa light emission).
Ⅱ,Mga bentaha sa Silicon:
Natural nga nagporma og taas nga kalidad nga oxide (SiO₂), nga makapahimo sa MOSFET fabrication.
Ubos nga gasto ug abunda sa yuta (~ 28% sa komposisyon sa crustal).
Ⅲ,Limitasyon:
Ubos nga paglihok sa elektron (1500 cm²/(V·s) lang), nagpugong sa pasundayag sa high-frequency.
Huyang nga boltahe/temperatura tolerance (max operating temp. ~150°C).
Pangunang mga Aplikasyon
Ⅰ,Mga Integrated Circuit (ICs):
Ang mga CPU, memory chips (pananglitan, DRAM, NAND) nagsalig sa silicon alang sa taas nga integration density.
Pananglitan: Ang Intel's 4004 (1971), ang unang komersyal nga microprocessor, migamit sa 10μm silicon nga teknolohiya.
Ⅱ,Power Devices:
Ang una nga mga thyristor ug ubos nga boltahe nga MOSFET (pananglitan, mga suplay sa kuryente sa PC) gibase sa silicon.
Mga Hagit ug Pagka-Obsolescence
Ang Germanium gi-phase out tungod sa leakage ug thermal instability. Bisan pa, ang mga limitasyon sa silicon sa optoelectronics ug high-power nga aplikasyon nag-aghat sa pag-uswag sa sunod nga gen semiconductors.
2Second-Generation Semiconductors: Gallium Arsenide (GaAs) ug Indium Phosphide (InP)
Background sa Pag-uswag
Sa panahon sa 1970s–1980s, ang mga nag-uswag nga mga natad sama sa mobile communications, optical fiber network, ug satellite nga teknolohiya nagmugna sa usa ka dinalian nga panginahanglan alang sa high-frequency ug episyente nga optoelectronic nga mga materyales. Nagdala kini sa pag-uswag sa direktang bandgap semiconductors sama sa GaAs ug InP.
Mga Kinaiya sa Materyal
Bandgap ug Optoelectronic Performance:
GaAs: 1.42eV (direkta nga bandgap, makahimo sa light emission-maayo alang sa mga laser/LED).
InP: 1.34eV (mas haum alang sa taas nga wavelength nga aplikasyon, pananglitan, 1550nm fiber-optic nga komunikasyon).
Electron Mobility:
Nakab-ot sa GaAs ang 8500 cm²/(V·s), labaw pa sa silicon (1500 cm²/(V·s)), nga naghimo niini nga labing maayo alang sa GHz-range signal processing.
Mga disbentaha
lBrittle substrates: Mas lisud sa paghimo kay sa silicon; Ang mga wafer sa GaA nagkantidad og 10 × labaw pa.
lWalay lumad nga oxide: Dili sama sa silicon's SiO₂, ang GaAs/InP kulang sa stable oxides, nga nakababag sa high-density IC fabrication.
Pangunang mga Aplikasyon
lRF Front-Ends:
Mobile power amplifier (PAs), satellite transceiver (eg, GaAs-based HEMT transistors).
lOptoelectronics:
Laser diodes (CD/DVD drives), LEDs (pula/infrared), fiber-optic modules (InP lasers).
lSpace Solar Cells:
Ang mga selula sa GaAs nakab-ot ang 30% nga kahusayan (vs. ~20% alang sa silicon), hinungdanon alang sa mga satellite.
lTeknolohikal nga Bottlenecks
Ang taas nga gasto nagpugong sa GaAs/InP sa mga niche nga high-end nga aplikasyon, nga nagpugong kanila sa pagtangtang sa dominasyon sa silicon sa logic chips.
Third-Generation Semiconductors (Wide-Bandgap Semiconductors): Silicon Carbide (SiC) ug Gallium Nitride (GaN)
Mga Driver sa Teknolohiya
Rebolusyon sa Enerhiya: Ang mga de-koryenteng salakyanan ug ang renewable energy grid integration nanginahanglan ug mas episyente nga mga power device.
Mga Panginahanglan sa Taas nga Kadaghanon: Ang mga komunikasyon sa 5G ug mga sistema sa radar nanginahanglan mas taas nga mga frequency ug density sa kuryente.
Grabe nga Kalibutan: Ang mga aplikasyon sa aerospace ug industriyal nga motor nanginahanglan mga materyales nga makasugakod sa temperatura nga labaw sa 200 ° C.
Materyal nga Kinaiya
Mga Kaayohan sa Wide Bandgap:
lSiC: Bandgap sa 3.26eV, pagkaguba sa kusog sa natad sa kuryente 10x sa silicon, nga makasugakod sa mga boltahe nga labaw sa 10kV.
lGaN: Bandgap sa 3.4eV, electron mobility sa 2200 cm²/(V·s), maayo kaayo sa high-frequency performance.
Pagdumala sa Thermal:
Ang thermal conductivity sa SiC moabot sa 4.9 W/(cm·K), tulo ka pilo nga mas maayo kaysa silicon, nga naghimo niini nga sulundon alang sa high-power nga mga aplikasyon.
Materyal nga mga Hagit
SiC: Ang hinay nga single-crystal nga pagtubo nanginahanglan ug temperatura nga labaw sa 2000°C, nga moresulta sa mga depekto sa wafer ug taas nga gasto (ang 6-pulgada nga SiC wafer kay 20x nga mas mahal kaysa silicon).
GaN: Kulang og natural nga substrate, kasagaran nagkinahanglan og heteroepitaxy sa sapphire, SiC, o silicon substrates, nga mosangpot sa lattice mismatch issues.
Pangunang mga Aplikasyon
Power Electronics:
EV inverters (pananglitan, Tesla Model 3 naggamit SiC MOSFETs, pagpalambo sa efficiency sa 5-10%).
Ang mga istasyon sa paspas nga pag-charge / adaptor (Ang mga aparato sa GaN makahimo sa 100W + nga paspas nga pag-charge samtang gipamubu ang gidak-on sa 50%).
Mga gamit sa RF:
5G base station power amplifier (GaN-on-SiC PAs nagsuporta sa mmWave frequency).
Militar nga radar (GaN nagtanyag 5 × ang densidad sa gahum sa GaAs).
Optoelectronics:
UV LEDs (AlGaN nga mga materyales nga gigamit sa sterilization ug water quality detection).
Status sa Industriya ug Panglantaw sa Umaabot
Ang SiC nagdominar sa high-power market, nga adunay automotive-grade modules nga anaa na sa mass production, bisan pa ang gasto nagpabilin nga babag.
Ang GaN paspas nga nagpalapad sa consumer electronics (fast charging) ug RF nga mga aplikasyon, nga nagbalhin ngadto sa 8-pulgada nga mga wafer.
Ang mga mitumaw nga materyales sama sa gallium oxide (Ga₂O₃, bandgap 4.8eV) ug diamante (5.5eV) mahimong mahimong “ika-upat nga henerasyon” sa mga semiconductor, nga nagduso sa mga limitasyon sa boltahe lapas sa 20kV.
Coexistence ug Synergy sa Semiconductor Generations
Pagkakomplementaryo, Dili Pagpuli:
Ang Silicon nagpabilin nga dominante sa logic chips ug consumer electronics (95% sa global nga semiconductor market).
Ang GaAs ug InP espesyalista sa high-frequency ug optoelectronic niches.
Ang SiC/GaN dili mapulihan sa mga aplikasyon sa enerhiya ug industriya.
Mga Pananglitan sa Paghiusa sa Teknolohiya:
GaN-on-Si: Gihiusa ang GaN sa mubu nga mga substrate nga silicon alang sa paspas nga pag-charge ug mga aplikasyon sa RF.
SiC-IGBT hybrid modules: Pagpauswag sa kahusayan sa pagkakabig sa grid.
Umaabot nga Trends:
Heterogenous integration: Paghiusa sa mga materyales (eg, Si + GaN) sa usa ka chip aron mabalanse ang performance ug gasto.
Ang ultra-wide bandgap nga mga materyales (pananglitan, Ga₂O₃, diamante) mahimong makahimo sa ultra-high-voltage (>20kV) ug quantum computing nga mga aplikasyon.
May kalabotan nga produksiyon
GaAs laser epitaxial wafer 4 pulgada 6 pulgada
12 pulgada nga SIC substrate silicon carbide prime grade diametro 300mm dako nga gidak-on 4H-N Angayan alang sa high power device heat dissipation
Oras sa pag-post: Mayo-07-2025