Vật liệu bán dẫn thế hệ thứ nhất, thế hệ thứ hai, thế hệ thứ ba và thế hệ thứ tư là gì?

Vật liệu bán dẫn là vật liệu có tính dẫn điện giữa chất dẫn điện và chất cách điện ở nhiệt độ phòng, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như mạch tích hợp, truyền thông, năng lượng và quang điện tử. Với sự phát triển của công nghệ, vật liệu bán dẫn đã phát triển từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ tư.

Vào giữa thế kỷ 20, thế hệ vật liệu bán dẫn đầu tiên chủ yếu bao gồm gecmani (Ge) vàsilic(Si). Đáng chú ý, bóng bán dẫn đầu tiên và mạch tích hợp đầu tiên trên thế giới đều được làm từ germanium. Nhưng nó dần được thay thế bằng silicon vào cuối những năm 1960, vì những nhược điểm của nó như độ dẫn nhiệt thấp, điểm nóng chảy thấp, khả năng chịu nhiệt độ cao kém, cấu trúc oxit hòa tan trong nước không ổn định và độ bền cơ học tuần. Nhờ khả năng chịu nhiệt độ cao vượt trội, khả năng chống bức xạ tuyệt vời, hiệu quả chi phí vượt trội và trữ lượng dồi dào, silicon dần thay thế germanium làm vật liệu chủ đạo và duy trì vị trí này cho đến nay.

Vào những năm 1990, thế hệ vật liệu bán dẫn thứ hai bắt đầu xuất hiện, với gallium arsenide (GaAs) và indium phosphide (InP) là vật liệu đại diện. Vật liệu bán dẫn thứ hai có những ưu điểm như dải cấm lớn, nồng độ hạt tải điện thấp, đặc tính quang điện tử vượt trội cũng như khả năng chịu nhiệt và chống bức xạ tuyệt vời. Những ưu điểm này khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong liên lạc vi sóng, liên lạc vệ tinh, liên lạc quang học, thiết bị quang điện tử và định vị vệ tinh. Tuy nhiên, ứng dụng của vật liệu bán dẫn phức hợp bị hạn chế bởi các vấn đề như trữ lượng hiếm, giá thành vật liệu cao, độc tính cố hữu, khiếm khuyết ở mức độ sâu và khó chế tạo các tấm bán dẫn kích thước lớn.

Trong thế kỷ 21, vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba nhưcacbua silic(SiC), gali nitrit (GaN) và oxit kẽm (ZnO) đã ra đời. Được biết đến là vật liệu bán dẫn có dải rộng, vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba thể hiện các đặc tính tuyệt vời như điện áp đánh thủng cao, tốc độ bão hòa electron cao, độ dẫn nhiệt đặc biệt và khả năng chống bức xạ tuyệt vời. Những vật liệu này phù hợp để sản xuất các thiết bị bán dẫn hoạt động trong các ứng dụng nhiệt độ cao, điện áp cao, tần số cao, bức xạ cao và công suất cao.

Ngày nay, vật liệu bán dẫn thế hệ thứ tư được đại diện bởigali oxit(Ga₂O₃), kim cương (C) và nhôm nitrit (AlN). Những vật liệu này được gọi là vật liệu bán dẫn vùng cấm cực rộng, có cường độ trường đánh thủng cao hơn chất bán dẫn thế hệ thứ ba. Chúng có thể chịu được điện áp và mức công suất cao hơn, phù hợp để sản xuất các thiết bị điện tử công suất cao và các thiết bị điện tử tần số vô tuyến hiệu suất cao. Tuy nhiên, chuỗi sản xuất và cung ứng các vật liệu bán dẫn thế hệ thứ tư này chưa trưởng thành, đặt ra những thách thức đáng kể trong quá trình sản xuất và chuẩn bị.