Co, jeśli nie krzem?

[rafal2808]

Czy można powiedzieć, że współczesna elektronika to najbardziej wyrafinowana forma obróbki piasku? Jak najbardziej tak, zwłaszcza jeśli weźmiemy pod uwagę niezwykle bogaty świat układów scalonych. Większość piasku, jaki znamy i kojarzymy jako sypki materiał spotykany na plaży, to w istocie dwutlenek krzemu o oznaczeniu SiO2, ten sam materiał, który z powodzeniem wykorzystywany jest w procesie produkcji półprzewodników. Dzięki niemu bramki tranzystorów współczesnych układów CMOS mogą być izolowane. Niezwykle cienka warstwa o grubości nawet kilku atomów zabezpieczająca tranzystor jest w istocie tym samym materiałem, który nieproszony dostaje się do butów, zwłaszcza w słoneczne dni. 

Krzemowy rdzeń będący częścią większego układu hybrydowego.

Choć dwutlenek krzemu wykorzystywany jest w branży półprzewodnikowej, to pierwsze miejsce na podium należy bezsprzecznie do czystego krzemu. Materiał ten stał się bazowym budulcem dla półprzewodnikowych struktur, zamykanych hermetycznie w monolitycznych obudowach, tworząc tym samym układy scalone i tranzystory. W powszechnej świadomości bezsprzeczne jest skojarzenie chip – krzem. Nasuwa się jednak pytanie, dlaczego tak jest? Dlaczego to właśnie krzem stał się podstawą współczesnych półprzewodników i czy istnieje inny materiał, który mógłby posłużyć do budowy tak dziś powszechnych układów scalonych?

 

Skąd wziął się krzem?

Wyruszając na poszukiwania materiałów konkurencyjnych dla krzemu, musimy cofnąć się tak naprawdę znacznie wcześniej niż czasy współczesnej elektroniki. Si jako materiał znany jest człowiekowi od setek, a nawet tysięcy lat. Źródła historyczne wskazują, że krzem wykorzystywano już w czasach przed dynastycznego Egiptu, służył on jako element biżuterii lub też materiał do budowy ceramiki. Co więcej, dwutlenek krzemu był też budulcem Fenickiego szkła datowanego mniej więcej na rok 1500 przed naszą erą. Podobne zastosowania wskazują też archiwa pochodzące ze starożytnych Chin, co tylko potwierdza, że krzem i powiązane z nim materiały wykorzystywane były powszechnie i globalnie. 

Przez lata materiał ten był jednak tylko, „materiałem”. Ciekawym, powszechnym i cenionym za swoje właściwości, ale pod względem znaczenia nie różnił się szczególnie od innych typów pierwiastków. Wraz z rozwijam nauk chemicznych, krzem zaczął być też badany i opisywany nieco dokładniej. Już w XVIII wieku badacze podejrzewali, że jest to najprawdopodobniej jeden z pierwiastków podstawowych.  

Ferdinand Braun w trakcie wykładu na uniwersytecie w Strasbourg. (Źródło)

Choć krzem miał pełne predyspozycje, żeby od początku być materiałem powszechnie utożsamianym z półprzewodnikami, to honor musimy oddać tak zwanej galenie. To właśnie ta mineralna forma siarczku ołowiu posłużyła niemieckiemu fizykowi Ferdinandowi Braunowi do budowy w 1874 roku urządzenia określanego jako „Crystal detector”.  

Nieco bardziej współczesna forma detektora również bazująca na galenie. (Źródło)

Crystal detector, nazywany również detektorem typu „cat's whisker” to w dzisiejszych czasach zapomniane już urządzenie, które zasługuje jednak na chwilę uwagi. Zwłaszcza przez fakt, że była to jedna z pierwszych prymitywnych form diody półprzewodnikowej, choć w ówczesnych czasach nikt nie był tego świadomy. 

Schemat z 1922 roku obrazujący budowę radia opartego na detektorze kryształkowym. (Źródło)

Konstrukcja ta była o tyle ciekawa, że nie potrzebowała żadnego zewnętrznego zasilania. Emitowana przez nadajnik fala radiowa trafiając na antenę, wytwarzała sygnał o zmiennej charakterystyce, dzięki doskonale znanemu zjawisku indukcji. W połączeniu z dodatkową cewką można było odbierać tylko konkretne częstotliwości, których sygnał trafiał dalej na detektor. Ten działając jak prymitywna dioda półprzewodnikowa, odcinał połówkę sygnału, co pozwalało uzyskać tylko tą część nadawaną przez nadajnik, pozbawioną szumów i zakłóceń. Choć urządzenie to nie było pozbawione wad, to pozwalało na rzeczywiste przesyłanie sygnału elektrycznego za pomocą fal radiowych, bez potrzeby przewodowego połączenia. Zjawisko powstające na styku metalu i kryształu galenu, było symbolicznym początkiem ery elektroniki półprzewodnikowej, mimo że przez kolejne lata ta zostanie zdominowana przez lampy elektronowe.

Choć w pierwotnej wersji crystal detector wykorzystywał siarczek ołowiu to wspomnieć warto, że już w 1906 roku amerykański inżynier Greenlaf Whittier Pickard zamienił materiał ten na krzem. Badacz będący absolwentem zarówno Uniwersytetu Harvarda, jak i Massachusetts Institute of Technology już wcześniej eksperymentował z antenami, propagacją fal radiowych i sposobami na tłumienie szumów. Efektem tych prac był patent na konkretny typ krzemowego detektora, co niejako potwierdza, że pierwiastek ten od samego początku zajmował ważne miejsce w kręgu zainteresowań twórców technologii tamtych lat.

 

Wykorzystanie półprzewodników na szeroką skalę

Russell Ohl na słupie energetycznym. (Źródło)

Do czasów II Wojny Światowej elektronika zdominowana była przez lampy próżniowe, choć nie oznacza to też, że nie prowadzono badań i eksperymentów z półprzewodnikami. Te były jednak dość niszowe i powszechne zainteresowanie zyskały, dopiero gdy powszechny stał się pogląd, że lampy elektronowe, duże, awaryjne i energochłonne to niekoniecznie urządzenia przyszłości. 

Już w połowie lat 30. XX wieku Russel Ohl, pracujący jako elektrochemik w Bell Labs, zainteresowany technologią detektorów kryształkowych zaczął badania nad zastosowaniem ich jako wojskowych detektorów radarowych. Odkrył on, że na działanie tego typu elementów, czyli zdolność wykrywania fal radiowych, olbrzymi wpływ ma czystość półprzewodnika, a dokładniej krzemu, bo to z nim prowadzone były eksperymenty. Co więcej badając jedna z próbek krzemu, Ohl zauważył dość zaskakujące zjawisko, oświetlenie jej powodowało skok przepływającego przez obwód prądu, którym manipulować można było również, zmieniając ułożenie metalowej elektrody. Gdy ta dotykała obszaru zanieczyszczonego fosforem wartość prądu rosła, natomiast spadek zauważono, gdy metal dotykał miejsca zanieczyszczonego borem. W ten sposób Amerykanin za jednym zamachem odkrył zjawisko fotowoltaiczne, jak i złącze p-n, które jak się okazało, od zawsze ukryte było w detektorze kryształkowym. 

Punktowy tranzystory germanowe produkcji Radzieckiej z 1966 roku. Muszę tutaj jednak ostrzec, że otwieranie tranzystorów germanowych, szczególnie tych pochodzących ze Związku Radzieckiego nie jest najlepszym pomysłem, ponieważ wnętrze takich struktur wypełniane było sproszkowanym tlenkiem berylu, który jest pierwiastkiem niebezpiecznym. Jego zadaniem było poprawić odprowadzanie ciepła w tranzystorze, był to też materiał tańszy w uzyskaniu niż stosowany na zachodzie sylikonowy smar.

Równolegle z badaniami krzemu trwały też eksperymenty z innym półprzewodnikiem, jakim był german. Materiał ten okazał się w pierwszym okresie łatwiejszy w obróbce, a przede wszystkim prostsze było uzyskanie niezwykle czystych kryształów tego pierwiastka. Z tego też powodu pierwszymi powszechnie produkowanymi diodami były właśnie te bazujące na germanie. Co więcej, ojciec współczesnych tranzystorów Wiliam Shockley w pierwszej fazie badań nad tymi elementami starał się wykorzystać właśnie krzem, co jednak okazało się porażką. Żaden z prototypów nie działał poprawnie, problemem była czystość krzemu, jaki i proces jego świadomego zanieczyszczania, czyli domieszkowania, tak aby uzyskać obszary o większej lub mniejszej ilości nośników ładunku. Dopiero wykorzystanie germanu pozwoliło zbudować działające, i co więcej powtarzalne elementy. 

Lata 50. XX wieku to czas niezwykle szybkiego i dynamicznego rozwoju technologii. W czasie, gdy z linii produkcyjnych zjeżdżały pierwsze germanowe elementy, opanowany został też proces obróbki krzemu, dzięki czemu pierwiastek ten zastąpił, german, który miał swoje własne i unikalne problemy. 

 

Galen, german i krzem

Zainteresowanym zjawiskami w półprzewodnikach polecam książkę „Elektrony i dziury w półprzewodnikach” wspomnianego już wcześniej Williama Shockleya. Pozycja ta jest już dość wiekowa, na tyle, że tranzystor zapisywane jest tam jako „tranzistor”, ale co jakiś czas w internecie można znaleźć polskie wydanie. 

Galen był pierwszy, krzem od początku wydawał się obiecujący, a german pojawił się tylko dlatego, że jego obróbka była prostsza. Tak w jednym zdaniu można opisać pierwsze pół wieku rozwoju technologii półprzewodnikowych. Materiały te jednak różnią się miedzy sobą właściwościami takimi jak pasmo zabronione, ruchliwość nośników czy odporność na pole elektryczne, ale także cechami praktycznymi stabilnością temperaturową, możliwość domieszkowania czy skalowalnością. 

Pasmo zabronione jest jedną z kluczowych wielkości determinujących zachowanie półprzewodnika. Galen ma je bardzo wąskie, około 0,3 do 0,4eV, co oznacza, że nawet niewielka energia wystarcza do wzbudzenia nośników. To właśnie dlatego siarczek ołowiu tak dobrze sprawdził się w pierwszych detektorach kryształkowych. Jego czułość była tak duża, że reagował nawet na słaby sygnał radiowy. Jednak była to też wada, łatwość wzbudzania ładunków powodowała niestabilność, materiał ten jest niezwykle podatny na jakiekolwiek wahania temperatury. German z kolei ma pasmo zabronione nieco większe, około 0,66eV, co oznacza, że jest nieco bardziej stabilny, ale nie tak jak krzem oferujący pasmo 1,12eV. Dzięki temu w temperaturze pokojowej zachowuje on niski prąd własny i dużą odporność na warunki termiczne.

Współczesna dioda półprzewodnikowa, gdzie kryształ krzemu umieszczony jest między dwiema metalowymi elektrodami. 

Z pasmem zabronionym wiąże się pojęcie krytycznego natężenia pola elektrycznego, prowadzącego do przebicia. Innymi słowy, można powiedzieć, że jest to kryterium pozwalające określić, czy materiał nadaje się do pracy w wyższych temperaturach lub też z wyższym napięciem. Jednocześnie im wyższe jest natężenie pola, tym mniejsza może być grubość półprzewodnikowego elementu. Nie jest to jednak to samo co powszechnie kojarzony fakt, że german przewodzi przy 0,3V a krzem przy 0,7V. Zjawiska te są powiązane, ale wartości napięć wynikają bardziej ze wspomnianego wcześniej pasma zabronionego. Wąskopasmowy galen ulega przebiciu przy bardzo niskiej wartości pola, przez co może on pracować tylko przy niskich napięciach. German wypada tu lepiej, ale wciąż znacznie gorzej od krzemu, jego dopuszczalne pole jest kilkukrotnie niższe. Si ma dość wysoką wytrzymałością elektryczną, co umożliwia budowę miniaturowych struktur, bez ryzyka ich przebicia.

Ruchliwość nośników ładunku, przede wszystkim elektronów, to kryterium, w którym co ciekawe dominuje german. Ruchliwość w tym materiale jest niemal dwukrotnie wyższa niż w krzemie, co przekłada się na możliwość szybszego przełączanie się tranzystora. Galen jako związek półprzewodnikowy o bardziej złożonej strukturze pasmowej, również wykazuje dość dobre parametry, ale problemem jest tutaj jego niestabilność. Krzem wypada tutaj najsłabiej, lecz ważniejsze okazuje się coś innego. Po prostu ruchliwość ładunków w krzemie jest wystarczająca, a współczesne technologie niekoniecznie potrzebują czegoś o lepszych parametrach. 

Tranzystor, który pali się „dosłownie”.

Dość istotna jest też kwestia samego odprowadzania ciepła. Galen i german radzą sobie z tym znacznie gorzej niż krzem, co już w latach 50. zaczęło stanowić realny problem. Zauważalne było, że elementy germanowe ulegają uszkodzeniu w temperaturach znacznie niższych niż te wykonane z krzemu. Nie oznacza to jednak, że Si jest materiałem idealnym. Krzem jest po prostu lepszy w zestawieniu z innymi pierwiastkami. Jeśli chcielibyście dowiedzieć się co tak naprawdę dzieje się na poziomie atomowym, gdy półprzewodnikowa struktura doświadcza samospalenia, to polecam artykuł, który kiedyś przygotowałem „Jak pali się tranzystor w układzie wspólnego emitera?”. 

 

Materiały przyszłości

Płytka GaN o średnicy 300mm z fabryki Infineon. (Źródło)

Przez lata krzem zdominował branże półprzewodników, można powiedzieć nawet, że materiał ten wykorzystywany był do wszystkiego, ale taki stan rzeczy powoli ulega zmianie. W elektronice, a zwłaszcza w produkcji układów scalonych granica definiowana jest przez materiał. Choć jak wskazuje wielu badaczy, prawo Moore’a nadal obowiązuje (chyba że weźmiemy pod uwagę zdanie dyrektora naczelnego Nvidii Jensena Huanga, który śmierć tej zasady ogłasza już niemal cyklicznie) to chcąc utrzymać je w mocy, świat musi zacząć rozglądać się nad innym rodzajem półprzewodnika. Czegoś co będzie lepsze niż krzem. 

Kandydatów jest kilku, przede wszystkim wyróżnić możemy tutaj Azotek galu, który od pewnego czasu zaczął pojawiać się już powszechnie. Głównie pod postacią tak zwanych ładowarek GaN, gdzie tego typu oznaczenie pojawia się na obudowie, informując, że umieszczone wewnątrz tranzystory bazują właśnie na tym materiale. Pod względem teoretycznym materiał ten góruje nad krzemem. Pasmo zabronione jest szersze około 3,3eV a natężenie pola opisują wartości niemal trzykrotnie większe. Jednocześnie też ruchliwość nośników ładunku i przewodność cieplna jest nieco lepsza niż w Si.  

Innym materiałem jest też tlenek galu, który pod względem teoretycznym znacznie przewyższa wspomniany GaN. Jednak jego wadą jest dość mała ruchliwość nośników ładunku, mniejsza nawet niż w samym krzemie, co jednak nie musi być kluczowe, zwłaszcza w niewymagających aplikacjach. Co jednak ważne materiał ten jak na razie nie wyszedł poza mury laboratoriów. 

Ciekawy materiałem jest też diament, z którym prowadzone są eksperymenty. Jego pasmo zabronione jest dość szerokie 5,5eV, odporność na przebicie niemal doskonała, a ruchliwość ładunków i przewodność cieplna znacznie przewyższająca krzem i azotek galu, jak i tlenek galu. Co jednak nie jest zaskoczeniem, cena tego typu elementów, wynikająca z ceny samego diamentu byłaby dość spora, prawdopodobnie nieadekwatna do oferowanych parametrów. Dodatkowo też przemysłowa obróbka diamentu, pod kątem branży półprzewodnikowej byłaby dość wymagająca. Ciekawe jest jednak, że obecnie istnieją już diamentowe diody Schottky’ego i tranzystory mocy FET, tworzy się je w laboratoriach, ale ich własność są obiecujące, zwłaszcza pod kątem wykorzystania w elektroenergetyce. 

Na przestrzeni lat wykorzystywanych było kilka materiałów półprzewodnikowych, z kilkoma kolejnymi prowadzone są eksperymenty i wydaje się, że z czasem te zaczną coraz bardziej przepychać się w świecie technologii. Elementy typu GaN spotykać możemy już dziś, ale na tranzystory z tlenku galu lub też diamentu będziemy musieli jeszcze trochę poczekać. 

 

Cytat

Źródła:

• https://celestialearthminerals.com/wp-content/uploads/2014/07/STEVE-VOYNICK-ARTICLE-GALENA-THE-FIRST-SEMICONDUCTOR.pdf

• https://www.computerhistory.org/siliconengine/semiconductor-point-contact-rectifier-effect-is-discovered/

• https://www.lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/karl-ferdinand-braun/

• https://forum.digikey.com/t/what-is-a-galena-cat-whisker-crystal-radio-detector/43183

• https://en.wikipedia.org/wiki/Galena

• https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon

• https://www.computerhistory.org/siliconengine/timeline/

• https://mikrokontroler.pl/2025/10/17/czy-diamenty-sa-najlepszym-przyjacielem-energoelektronika/

• https://x.com/SolarInMASS/status/1282433445491363844

• https://www.computerhistory.org/siliconengine/discovery-of-the-p-n-junction/

• https://rafalbartoszak.pl/jak-pali-sie-tranzystor-w-ukladzie-wspolnego-emitera/

• https://compoundsemiconductor.net/article/122057/300mm_GaN_roadmap_

• https://www.everythingpe.com/community/what-is-a-gallium-nitride-gan-transistor-the-difference-between-gan-and-silicon?gad_source=1&gad_campaignid=22451877011&gbraid=0AAAAAodoreeeMkz079cFNnbpVaCumDX8Q&gclid=Cj0KCQiApL7KBhC7ARIsAD2Xq3DPkdQ9KsgvM8pdCPr3wUzF9wfyR2N1wpagJb7Bmq3GgJpXea2G0NEaArpFEALw_wcB

• https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/gan-vs-silicon-semiconductor-materials-compared

• https://www.powerelectronicsnews.com/diamond-semiconductors-advantages-and-challenges/

Edytowano 29 stycznia przez rafal2808
literówka

[Elvis]

Chyba chodziło o detektor kryształkowy https://pl.wikipedia.org/wiki/Detektor_kryształkowy

Nie wiem czy istnieje urządzenie do detekcji kryształów... dalej nie byłem w stanie czytać

[ethanak]

@Elvis jak masz konto na fabecuku to znajdź "ton składowy". Tam znajdziesz diamentowe wtyczki ethernet, rozprawy na temat kondycjonowanych kabli usb i bezpieczników audiofilskich. Tylko uwaźaj, bo ostatnio czytając to obsmarkałem telefon...

[rafal2808]

Dnia 29.12.2025 o 20:09, Elvis napisał:

Chyba chodziło o detektor kryształkowy https://pl.wikipedia.org/wiki/Detektor_kryształkowy

Nie wiem czy istnieje urządzenie do detekcji kryształów... dalej nie byłem w stanie czytać

Powiem szczerze byłem pewien, że to dopuszczalna forma, co więcej wydaje mi się, że widziałem ją w jakiejś książce, choć owszem lepiej brzmi "kryształkowy", dlatego edit. i w niektórych miejscach jest forma angielska. 

[jand]

4 godziny temu, rafal2808 napisał:

byłem pewien, że to dopuszczalna forma,

Forma, w sensie gramatyki języka polskiego, jest oczywiście dopuszczalna, ale fraza "detektor kryształkowy" (tzn. zbudowany z kryształu) ma całkiem inne znaczenie niż "detektor kryształów" (czyli wykrywający kryształy).

A w obu przypadkach po angielsku będzie tak samo - "crystal detector". Cóż, taki ubogi język .

[H1M4W4R1]

2 minuty temu, jand napisał:

A w obu przypadkach po angielsku będzie tak samo - "crystal detector". Cóż, taki ubogi język .

Prędzej bym użył "crystal-based detector", ale amerykanie mają na bakier z językiem  A ta precyzja i skomplikowana gramatyka w naszym ojczystym języku się przydaje, bo bardzo dobrze współpracuje z promptami AI.

Edytowano 28 stycznia przez H1M4W4R1

[SOYER]

Dnia 29.12.2025 o 20:30, ethanak napisał:

@Elvis jak masz konto na fabecuku to znajdź "ton składowy". Tam znajdziesz diamentowe wtyczki ethernet, rozprawy na temat kondycjonowanych kabli usb i bezpieczników audiofilskich. Tylko uwaźaj, bo ostatnio czytając to obsmarkałem telefon...

Facet jest też na youtube, można boki zrywać:)).