Gallium arsenide — ABC Chemicals

Бен Валслер

На этой неделе Брайан Клегг принес нам супер полупроводник.

Брайан Клегг

Галлий и мышьяк — это элементы среднего уровня — с атомными номерами 31 и 33 — которые легко забыть (если вы не хотите кого-то отравить). Но объедините их в состав арсенида галлия, и вы получите материал, который является электронным двигателем. Этот темно-серый кристалл берет на себя повсеместную доминирующую роль в мире микрочипов — кремний — и, с точки зрения качества на рынке, побеждает.

Gallium arsenide - ABC Chemicals

Элементарная ячейка арсенида галлия с атомами галлия коричневого цвета и атомами мышьяка фиолетового цвета

Кремний доказал свою ценность как полупроводник снова и снова. Это дешевое и веселое решение, так как сырье — это песок. В отличие от этого, арсенид галлия является дорогостоящим — нет ничего необычного в том, что пластины арсенида галлия стоят в тысячу раз дороже, чем кремниевый эквивалент, — но соединение компенсирует эти затраты с высокими эксплуатационными характеристиками. Это суперкар для хэтчбека массового рынка кремния.

Одно из ключевых отличий между арсенидом галлия и кремнием заключается в природе его ширины запрещенной зоны. Это запретная зона между «валентной зоной», которая является внешним слоем электронов на атоме, ответственном за его химические свойства, и «зоной проводимости»: первая пустая группа состояний, в которую могут перемещаться возбужденные электроны. В полупроводниках ширина запрещенной зоны — как раз тот размер, который электроны не могут легко пересечь, но его можно увеличить, чтобы провести электричество при правильной стимуляции.

Арсенид галлия имеет то, что известно как прямая запрещенная зона, что означает, что входящий фотон может протолкнуть электрон через него, в то время как кремний имеет косвенную запрещенную зону, которая требует большей помощи, чтобы привести электрон в движение. В результате, например, фотоэлектрические элементы на основе арсенида галлия — солнечные панели — поглощают свет значительно лучше, чем кремниевые элементы. Мало того, что они более эффективны, но они могут быть намного тоньше, поскольку фотон должен пройти намного дальше через ячейку на основе кремния, прежде чем он даст эффект.

Gallium arsenide - ABC Chemicals

Источник: © Shutterstock

В результате арсенид галлия с первых дней был предпочтительным материалом для необходимых солнечных элементов, которые дают энергию космическим кораблям. Первые применения были на ранних спутниках из СССР, начиная с зонда Venera 3. Он был отправлен на Венеру в 1965 году, хотя, к сожалению, потерял связь, прежде чем он смог отправить информацию с поверхности.

Несмотря на шаткое начало, ячейки арсенида галлия использовались во многих ранних советских миссиях, и к 1990-м вариантам доминировали космические приложения, в том числе марсоходы НАСА. Эта значительная задержка от первого советского использования до повсеместного распространения была отчасти связана с необходимостью найти подходящий субстрат. Галлий арсенид настолько эффективен, что нет необходимости иметь что-либо более тонкую пленку, но это занимает значительное время, чтобы найти способ, чтобы вырастить эти фильмы надежно на поддерживающий слой из другого материала.

Gallium arsenide - ABC Chemicals

Ячейки арсенида галлия не только эффективны, но и гораздо лучше противостоят радиации, чем кремниевые эквиваленты, что важно при работе в космосе. Поскольку слой арсенида галлия значительно тоньше, частицы с высокой энергией, такие как протоны, с большей вероятностью будут проходить прямо, не вызывая повреждений. На Земле, в специализированных сверхлегких автомобилях, работающих на солнечных батареях, арсенид галлия является основным веществом, оставаясь на вершине рейтинга эффективности и тонкости. Это подчеркивается разработкой в 2019 году в Центре нанонауки и нанотехнологий в Париже. Работая с такой же эффективностью, что и кремниевый солнечный элемент, где толщина такого элемента составляла бы 40 микрометров, новый материал был всего одной пятой микрометра толщиной — в 200 раз тоньше, чем кремний.

Поглощение и испускание арсенида галлия распространяется не только на видимое, а соединение попадает в специальные инфракрасные лазеры и микроволновые цепи. Первые GPS-приемники, разработанные Агентством перспективных исследований в области обороны США, имели арсенид галлия. Некоторые из самых ранних применений возникли в результате разработки диода Ганна, устройства, созданного в 1962 году Джоном Ганном над соединением. Диод используется в генераторах сверхвысокочастотных частот, например, в радарных скоростных пушках и в радиотелескопах. Наиболее повсеместно, несмотря на его стоимость, вы почти наверняка будете иметь устройство арсенид галлия в вашем кармане. Из-за своей эффективности, способности обрабатывать высокочастотные сигналы лучше, чем кремний и низкий уровень шума цепи, арсенид галлия используется в усилителях мощности большинства мобильных телефонов.

Помимо мобильных телефонов, арсенид галлия редко попадает на массовый рынок. Кремний слишком дешев, легкодоступен и прост в изготовлении. Тем не менее, арсенид галлия остается основным материалом для солнечных батарей. Если деньги не являются объектом, арсенид галлия — это Bugatti Chiron для оптических полупроводников.

Бен Валслер

Брайан Клегг с арсенидом галлия. На следующей неделе, еще одна универсальная молекула аромата, с Луизой Крейн.

Луиза Крейн

Бета-дамасценон является основным источником аромата роз, хотя вы также обнаружите, что он всплывает в запахе бурбонского кентукки, поэтому, если розы не работают, то вы можете хотя бы утопить свои печали.

Бен Валслер

Присоединяйтесь к Луизе в следующий раз. До тех пор мы хотели бы услышать ваши предложения о покрытии соединений — напишите по адресу chemworld@rsc.org или в Твиттере @chemistryworld. Я Бен Валслер, спасибо, что выслушал.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *