Progrés de la investigació sobre nous materials de transistors

Les limitacions dels materials tradicionals de transistors
Basats principalment en silici (Si), després de dècades de desenvolupament, els transistors basats en silici s'han utilitzat àmpliament en diversos productes electrònics. Tanmateix, a mesura que les mides dels dispositius continuen reduint-se, els transistors basats en silici s'enfronten als reptes següents:
Efecte de mida: quan la mida del transistor es redueix fins a cert punt, comencen a sorgir efectes quàntics, que afecten el rendiment i l'estabilitat del dispositiu.

Problema de consum d'energia:El corrent de fuga dels transistors de mida petita augmenta, provocant un augment del consum d'energia i problemes de dissipació de calor destacats.

Límit de velocitat:La limitada mobilitat electrònica dels materials de silici afecta la velocitat de commutació dels transistors.

Per abordar aquests problemes, els investigadors han començat a explorar nous materials per tal de millorar el rendiment del transistor mentre continuen amb la llei de Moore.

Progrés de la investigació de nous materials de transistors
Arseniur de gal·li (GaAs) i fosfur d'indi (InP)
Té una gran mobilitat electrònica i és adequat per a dispositius electrònics d'alta velocitat. En comparació amb el silici, els transistors GaAs i InP poden proporcionar una velocitat de commutació més alta i menys soroll. Per tant, s'han utilitzat àmpliament en comunicacions d'alta freqüència, radars, satèl·lits i dispositius optoelectrònics. Tanmateix, el cost de fabricació d'aquests materials és més elevat i la complexitat del procés també és superior a la del silici.

Materials a base de carboni: grafè i nanotubs de carboni
A causa de les seves excel·lents propietats elèctriques i mecàniques, es considera el material de transistors més prometedor per al futur. El grafè té una mobilitat d'electrons extremadament alta i pot aconseguir una transferència d'electrons d'alta velocitat, el que el fa adequat per a dispositius informàtics i de comunicació d'alta velocitat. Els nanotubs de carboni tenen una gran resistència i flexibilitat, i es poden utilitzar per fabricar dispositius electrònics flexibles. Tanmateix, la tecnologia de producció i integració a gran escala de nanotubs de grafè i carboni encara es troba en fase exploratòria.

Disulfur de molibdè (MoS2) i altres materials bidimensionals
Amb un gruix a nivell atòmic i una excel·lent mobilitat d'electrons, és adequat per a dispositius electrònics ultra prims i d'alt rendiment. Els transistors MoS2 presenten excel·lents característiques de commutació i un baix consum d'energia a escala sub nanomètrica, cosa que els fa adequats per a la propera generació de dispositius electrònics de baixa potència. També s'estan estudiant altres materials bidimensionals com el nitrur de bor (BN) i el disulfur de tungstè (WS2) per a dispositius electrònics multifuncionals.

Òxid de gal·li (Ga2O3) i semiconductors de banda ampla
Amb característiques de banda intermitent àmplia, adequades per a dispositius electrònics d'alta potència i alta freqüència. En comparació amb els dispositius tradicionals basats en silici, els transistors Ga2O3 poden funcionar de manera estable a altes temperatures i voltatges, el que els fa adequats per a l'electrònica de potència i nous camps d'energia. Altres semiconductors de banda ampla com el nitrur de gal·li (GaN) i el carbur de silici (SiC) també han demostrat un excel·lent rendiment en dispositius electrònics d'alta potència.

Les perspectives d'aplicació dels nous materials transistors
Informàtica i comunicació d'alt rendiment
Capaç de proporcionar una major mobilitat d'electrons i velocitat de commutació, adequat per a dispositius informàtics d'alt rendiment i comunicació d'alta velocitat. Per exemple, els transistors de grafè i GaAs poden millorar significativament el rendiment dels processadors informàtics i els xips de comunicació, satisfent les necessitats de la comunicació 5G i futura 6G.

Dispositius electrònics de baixa potència
Les característiques de baix consum d'energia dels materials bidimensionals com MoS2 els fan adequats per a dispositius electrònics portàtils i dispositius IoT. Mitjançant l'ús d'aquests nous materials, es pot allargar la durada de la bateria i es pot millorar la resistència del dispositiu.

Electrònica flexible i dispositius portàtils
L'aplicació de nanotubs de carboni i altres materials flexibles impulsarà el desenvolupament d'electrònica flexible i dispositius portàtils. L'alta resistència i flexibilitat d'aquests materials permeten que els dispositius electrònics es dobleguin i pleguin, fent-los adequats per a camps emergents com ara roba intel·ligent i dispositius de control de la salut.

Nova electrònica d'energia i potència
L'aplicació de semiconductors de banda ampla com GaN i SiC en dispositius electrònics d'alta potència i alta freqüència promourà el desenvolupament de nova energia i electrònica de potència. Aquests materials poden funcionar de manera estable a alta temperatura i alt voltatge, i són adequats per a camps com ara vehicles elèctrics i equips de generació d'energia renovable.

Reptes de futur i direccions de desenvolupament
Tot i que els nous materials de transistors han mostrat un gran potencial, les seves aplicacions a gran escala encara s'enfronten a molts reptes. En primer lloc, l'elevat cost de fabricació i la complexitat del procés dels nous materials limiten les seves aplicacions comercials a gran escala. En segon lloc, l'estabilitat i la consistència dels materials encara s'han de tractar encara més per garantir la fiabilitat a llarg termini dels dispositius. A més, els impactes ambientals i de salut dels nous materials també són aspectes importants que necessiten atenció. Com aconseguir la fabricació verda i el desenvolupament sostenible és la clau de la investigació futura.

Per tal de promoure la investigació i l'aplicació de nous materials de transistors, cal reforçar la col·laboració interdisciplinària i integrar el coneixement i la tecnologia de la ciència dels materials, la física, l'enginyeria electrònica i altres camps. Al mateix temps, el govern i les empreses haurien d'augmentar el seu suport a la investigació bàsica i la industrialització, establir un sistema d'innovació tecnològica sòlid i l'ecologia de la cadena industrial.

En aquesta època plena de reptes i oportunitats, el progrés de la investigació dels nous materials de transistors aportarà un nou impuls de desenvolupament a la indústria electrònica. Mitjançant l'exploració i la innovació contínues, tenim motius per creure que els futurs dispositius electrònics seran més eficients, intel·ligents i respectuosos amb el medi ambient, aportant més comoditat i sorpreses a la vida humana.

https://www.trrsemicon.com/transistor/mosfet-transistor/mosfet-si2309.html