Cosa sono i materiali semiconduttori di prima, seconda, terza e quarta generazione?

I materiali semiconduttori sono materiali con conduttività elettrica tra conduttori e isolanti a temperatura ambiente, ampiamente utilizzati in campi come i circuiti integrati, le comunicazioni, l'energia e l'optoelettronica. Con lo sviluppo della tecnologia, i materiali semiconduttori si sono evoluti dalla prima alla quarta generazione.

A metà del XX secolo, la prima generazione di materiali semiconduttori era composta principalmente da germanio (Ge) esilicio(Si). In particolare, il primo transistor e il primo circuito integrato al mondo erano entrambi realizzati in germanio. Ma è stato gradualmente sostituito dal silicio alla fine degli anni '60, a causa dei suoi inconvenienti come bassa conduttività termica, basso punto di fusione, scarsa resistenza alle alte temperature, struttura instabile dell'ossido solubile in acqua e debole resistenza meccanica. Grazie alla sua superiore resistenza alle alte temperature, all'eccellente resistenza alle radiazioni, al notevole rapporto costo-efficacia e alle abbondanti riserve, il silicio ha gradualmente sostituito il germanio come materiale principale e ha mantenuto questa posizione fino ad oggi.

Negli anni ’90 cominciò ad emergere la seconda generazione di materiali semiconduttori, con l’arseniuro di gallio (GaAs) e il fosfuro di indio (InP) come materiali rappresentativi. I secondi materiali semiconduttori offrono vantaggi come un ampio intervallo di banda, una bassa concentrazione di portatori, proprietà optoelettroniche superiori, nonché un'eccellente resistenza termica e resistenza alle radiazioni. Questi vantaggi li rendono ampiamente utilizzati nella comunicazione a microonde, nella comunicazione satellitare, nella comunicazione ottica, nei dispositivi optoelettronici e nella navigazione satellitare. Tuttavia, le applicazioni dei materiali semiconduttori compositi sono limitate da questioni quali riserve rare, costi elevati dei materiali, tossicità intrinseca, difetti profondi e difficoltà nella fabbricazione di wafer di grandi dimensioni.

Nel 21° secolo, i materiali semiconduttori di terza generazione comecarburo di silicio(SiC), nitruro di gallio (GaN) e ossido di zinco (ZnO). Conosciuti come materiali semiconduttori a banda larga, i materiali semiconduttori di terza generazione presentano proprietà eccellenti come elevata tensione di rottura, elevata velocità di saturazione degli elettroni, eccezionale conduttività termica e superba resistenza alle radiazioni. Questi materiali sono adatti per la produzione di dispositivi a semiconduttore che funzionano in applicazioni ad alta temperatura, alta tensione, alta frequenza, alta radiazione e alta potenza.

Al giorno d'oggi, i materiali semiconduttori di quarta generazione sono rappresentati daossido di gallio(Ga₂O₃), diamante (C) e nitruro di alluminio (AlN). Questi materiali sono chiamati materiali semiconduttori con bandgap ultra ampio e hanno un'intensità del campo di rottura maggiore rispetto ai semiconduttori di terza generazione. Possono resistere a tensioni e livelli di potenza più elevati, adatti alla produzione di dispositivi elettronici ad alta potenza e dispositivi elettronici a radiofrequenza ad alte prestazioni. Tuttavia, la produzione e la catena di fornitura di questi materiali semiconduttori di quarta generazione non sono mature, ponendo sfide significative nella produzione e nella preparazione.