Die unverzichtbare Liste der elektronischen Materialien
1 Einleitung
Elektronikmaterialien spielen in der sich rasch entwickelnden Landschaft der modernen Elektronik eine äußerst wichtige Rolle. Sie sind die grundlegenden Bausteine, die die Funktionalität und Leistung einer Vielzahl elektronischer Geräte untermauern, die von allgegenwärtigen Smartphones und Laptops bis hin zu hochentwickelten Geräten für die Luft- und Raumfahrt und die Medizin reichen. Diese Materialien bestimmen die elektrischen, thermischen, mechanischen und optischen Eigenschaften der Geräte und diktieren damit deren Möglichkeiten und Grenzen.
Die Entwicklung und Innovation elektronischer Materialien war die treibende Kraft hinter dem kontinuierlichen Fortschritt der Elektronikindustrie. Mit der ständig steigenden Nachfrage nach kleineren, schnelleren, energieeffizienteren und hochzuverlässigen elektronischen Produkten ist die Suche nach fortschrittlichen elektronischen Materialien und deren Einsatz dringender denn je geworden. In den folgenden Abschnitten werden wir uns eingehend mit verschiedenen wichtigen elektronischen Materialien befassen, darunter Silizium, Siliziumkarbid, Germanium, Galliumverbindungen, Materialien auf Kohlenstoffbasis, leitende und isolierende Materialien sowie magnetische Materialien. Durch das Verständnis ihrer einzigartigen Eigenschaften, Herstellungsprozesse und vielfältigen Anwendungen erhalten wir einen umfassenden Überblick über die Bedeutung und das Potenzial dieser Materialien für die Gestaltung der Zukunft der Elektronik.
2 Silizium und verwandte Materialien
Silizium (Si) mit der Ordnungszahl 14 ist ein hartes und sprödes kristallines, quasi-metallisches und halbleitendes Material, das sowohl in amorpher als auch in kristalliner Form vorkommt und in der Erdkruste reichlich vorhanden ist. Silicium hat vier Valenzelektronen in der äußersten Schicht des Atoms und ist chemisch relativ stabil, so dass es bei Raumtemperatur nur schwer mit anderen Stoffen reagieren kann. Als Halbleitermaterial nimmt die elektrische Leitfähigkeit von Silizium mit steigender Temperatur zu und wird in verschiedenen elektronischen Geräten verwendet.
Bei der Gewinnung und Herstellung von Silizium wird amorphes Silizium in der Regel durch Reduktion von Siliziumdioxid mit Magnesium gewonnen. Im Gegensatz dazu wird kristallines Silizium in einem Elektroofen durch Reduktion von Siliziumdioxid mit Kohlenstoff hergestellt. Hochreines Halbleitersilicium kann durch Wasserstoffreduktion von Siliciumchlorid hergestellt werden. Monokristallines Silizium wird in der Regel nach dem Czochralski-Verfahren oder durch Zonenfusion (FZ-Verfahren) hergestellt, während polykristallines Silizium durch gerichtete Erstarrung gezüchtet wird.
Silizium hat eine Vielzahl von Anwendungen in der Elektronikindustrie, insbesondere als Chipsubstrat in integrierten Schaltungen, wo es ein ideales Material für die Herstellung von Transistoren ist. Darüber hinaus werden monokristallines Silizium, polykristallines Silizium und dünne Siliziumschichten häufig in Solarzellen verwendet. Im Bereich der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) und Sensoren wird Silizium für die Herstellung von Beschleunigungsmessern, Gyroskopen und Drucksensoren verwendet. Auch in der Leistungselektronik wird Silizium zur Herstellung von Leistungshalbleitern wie MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) und IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) verwendet. Im Bereich der Optoelektronik werden Silizium-Photodioden häufig in optischen Kommunikationssystemen eingesetzt.
Die Vorteile von Silizium sind seine großen Reserven, seine nachhaltige Nutzung, seine kontrollierte Reinheit und seine niedrigen Kosten. Allerdings gibt es auch einige Nachteile, wie z. B. die schlechte Leistung bei hohen Temperaturen und die schmale Bandlücke, die seinen Einsatz bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen einschränkt.
Lesen Sie mehr dazu: Wesentliche elektronische Materialien: Teil 1 - Silizium
Abb.1 Siliziumprodukte
3 Siliziumkarbid (SiC)
Siliciumcarbid (SiC) ist ein breitbandiges Halbleitermaterial mit hoher Härte, guter Wärmeleitfähigkeit, hoher Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit. Seine chemische Formel ist SiC, und es gibt verschiedene Kristallstrukturen, die häufigsten sind α-SiC und β-SiC. Industriell hergestelltes Siliciumcarbid weist aufgrund verschiedener Verunreinigungen unterschiedliche Farben auf. Durch Dotierungstechniken ist es möglich, seine Energieniveaustruktur zu verändern und so seine elektronischen und anderen physikalischen Eigenschaften anzupassen.
Zu den wichtigsten Herstellungsverfahren für Siliciumcarbid gehören das Schmelzen und die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Bei der Schmelzmethode wird Siliciumcarbid durch Mischen und Schmelzen von Silicium und Graphit bei hohen Temperaturen und anschließendes Abkühlen hergestellt. Bei der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase wird SiC durch eine chemische Reaktion in der Gasphase auf der Substratoberfläche abgeschieden und wird üblicherweise zur Herstellung hochwertiger Dünnschichten verwendet.
Siliciumcarbid wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. In der Leistungselektronik wird SiC in Leistungsumwandlungsgeräten verwendet, um die Effizienz von Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energiesystemen zu verbessern. In Hochtemperatur- und Hochfrequenzgeräten eignet sich SiC für 5G-Basisstationen und Militärelektronik, da es auch unter extremen Bedingungen einen stabilen Betrieb gewährleisten kann. Darüber hinaus spielt SiC eine Rolle bei LED- und Optoelektronik-Anwendungen, die ursprünglich für blaue LEDs und jetzt für die Lichterkennung bei bestimmten Wellenlängen verwendet werden. Im Bereich der Sensorik wird SiC aufgrund seiner Zuverlässigkeit in extremen Umgebungen häufig zur Erkennung von Hochtemperaturen, hohem Druck und Strahlung eingesetzt. Die hohe Zuverlässigkeit von SiC macht es auch für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich beliebt.
Der Vorteil von Siliziumkarbid ist seine hervorragende Hochtemperatur-, Hochdruck- und Hochfrequenz-Hochleistungsleistung, die eine hohe Energieumwandlungseffizienz ermöglicht. Es hat jedoch auch einige Nachteile, wie z. B. höhere Kosten, ein komplexer Herstellungsprozess, und die Zuverlässigkeit der Geräte muss noch weiter verbessert werden.
Lesen Sie mehr dazu: Wesentliche elektronische Materialien: Teil 2 - Siliziumkarbid
Abb. 2 Siliziumkarbid-Chip
4 Germanium und verwandte Materialien
Germanium (Ge) ist ein Halbleiterelement mit einer Ordnungszahl von 32 und einer Kristallstruktur ähnlich der von Diamant. Germanium hat eine Dichte von 5,323 g/cm³, einen Schmelzpunkt von 937,4°C und einen Siedepunkt von 2833°C. Als Halbleitermaterial hat Germanium eine Bandlücke von 0,66 eV und weist eine gute elektrische Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen auf, wobei die optoelektronischen Eigenschaften im Infrarotbereich besonders gut sind. Germanium hat jedoch eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Sprödigkeit, Eigenschaften, die seine Leistungsfähigkeit in bestimmten Anwendungen einschränken.
Das Herstellungsverfahren für Germanium ist in der Regel die Herstellung von Einkristallgermanium nach dem Geradeausziehverfahren (Czochralski-Methode) und dem Verfahren der vertikalen Gradientenverfestigung (VGF-Methode). Bei der Geradeausziehmethode wird geschmolzenes Germanium durch die Kristallisation gezogen, um Einkristalle zu erhalten, während bei der Methode der vertikalen Gradientenverfestigung das Wachstum der Kristalle durch Kontrolle des Temperaturgradienten gesteuert wird, um ihre Qualität und Reinheit zu gewährleisten.
Germanium hat wichtige Anwendungen in verschiedenen Bereichen. In der Hochgeschwindigkeitselektronik wird Germanium in Hochfrequenztransistoren und drahtlosen Kommunikationsgeräten verwendet, da es eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweist, die die Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung unterstützt. Darüber hinaus ist Germanium ein wichtiges optisches Material für den Infrarotbereich und wird häufig in Infrarotdetektoren und Bildgebungssystemen eingesetzt. Aufgrund seiner guten optoelektronischen Eigenschaften wird Germanium auch in optische Fasern dotiert, um deren Leistung zu verbessern, und wird in der optischen Kommunikation, in photovoltaischen Umwandlungsgeräten und in Solarzellen verwendet. In integrierten Schaltkreisen wird Germanium mit Silizium kombiniert, um Legierungen zu bilden, die die Leistung weiter verbessern. Germanium wird auch bei der Herstellung von Halbleiterlasern, ladungsgekoppelten Bauelementen (CCDs) und LIDAR verwendet und hat potenzielle Anwendungen in der Quanteninformatik und Quantentechnologie.
Zu den wichtigsten Vorteilen von Germanium gehören die hohe Elektronenbeweglichkeit, die niedrige Bandlücke, die hohe Infrarotdurchlässigkeit und die gute Kompatibilität mit Silizium, wodurch es sich gut für Bereiche wie hocheffiziente Solarzellen und Quantencomputer eignet. Es hat jedoch auch erhebliche Nachteile, wie z. B. eine geringe Wärmeleitfähigkeit, einen hohen Preis, Schwierigkeiten bei der Kristallzüchtung und einen begrenzten industriellen Produktionsmaßstab, was eine breite Verwendung von Germanium erschwert.
Lesen Sie mehr dazu: Wesentliche elektronische Materialien: Teil 3 - Germanium
Abb. 3 Germanium für die Chip-Herstellung
5 Gallium-Verbindungen
Galliumoxid (Ga2O3): Breitband-Halbleiter mit verschiedenen Kristallstrukturen, z. B. β-Ga2O3, α-Ga2O3, usw. Es ist chemisch stabil und kann mit einer Vielzahl von Substanzen reagieren. Es kann durch direkte Reduktion, chemische Abscheidung aus der Gasphase und mit Hilfe von Säuren hergestellt werden. Es findet breite Anwendung in der Leistungselektronik, in optoelektronischen Geräten (z. B. Ultraviolett-Detektoren und tief ultraviolette LEDs), Sensoren und anderen Bereichen.
Galliumarsenid (GaAs): schwarzer grauer Feststoff, Schmelzpunkt 1238 °C, ist ein wichtiger Ⅲ-V-Verbindungshalbleiter mit kubischer Kristallstruktur, hervorragenden elektronischen Eigenschaften, geringem Rauschen und hoher Durchbruchspannung. Er wird hauptsächlich durch Vertical Gradient Solidification (VGF), Liquid Encapsulated Direct Drawing (LEC), Horizontal Bridgman (HB), Chemical Vapor Deposition (CVD) und andere Verfahren hergestellt. Es findet breite Anwendung in den Bereichen Mikrowellen, Optoelektronik, Kommunikation, Solarzellen, Mikroelektronik und anderen Bereichen.
Galliumnitrid (GaN): Die Kristallstruktur besteht aus einem Gitter aus Gallium- und Stickstoffatomen mit einer breiten direkten Bandlücke, hoher Härte, hoher Wärmeleitfähigkeit, guter chemischer Stabilität und anderen Eigenschaften. Es wird durch chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) und andere Verfahren hergestellt. Es findet breite Anwendung in neuen elektronischen Geräten (z. B. Hochleistungs-Hochfrequenzgeräten), optoelektronischen Geräten (z. B. kurzwelligen lichtemittierenden Geräten), Sensoren und anderen Bereichen, was den entsprechenden technologischen Fortschritt fördert.
Lesen Sie mehr dazu: Wesentliche elektronische Materialien: Teil 4 - Gallium-Verbindungen
Abb. 4 Gallium-Oxid-Halbleitermaterialien
6 Materialien auf Kohlenstoffbasis
Graphen: Eine Monolagenstruktur, in der Kohlenstoffatome mit sp² hybridisiert sind, um ein hexagonales Wabengitter zu bilden, mit hervorragenden optischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Mit seiner hohen Elektronenbeweglichkeit hat es potenzielle Anwendungen in integrierten Schaltungen, Feldeffekttransistoren, organischen Leuchtdioden, chemischen Sensoren und optoelektronischen Geräten.
Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs): Von Kohlenstoffatomen in einer koaxialen, kreisförmigen Röhrenstruktur angeordnet, mit einzigartigen elektrischen Eigenschaften, unterteilt in metallische und halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren. Sie können zur Herstellung von Hochleistungs-Feldeffekttransistoren, elektronischen Sensoren, Solarzellen usw. verwendet werden, um die Leistung der entsprechenden Geräte zu verbessern.
Fullerene (Fullerenes): sind hohle Moleküle, die aus Kohlenstoffatomen bestehen, wie z. B. C60 usw., mit besonderen optischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften. Sie haben wichtige Anwendungen in Kondensatoren, leitfähigen Klebstoffen, optoelektronischen Anwendungen usw. und können die Leitfähigkeit von Elektroden und die Energiespeicherdichte usw. verbessern.
Lesen Sie mehr dazu: Wesentliche elektronische Materialien: Teil 5 - Materialien auf Kohlenstoffbasis
Abb. 5 Graphen
7 Leitende und isolierende Materialien
Leitfähige Materialien: Metalle und Legierungen, die aufgrund der äußeren Elektronen des Metallatoms leicht freie Elektronen bilden und leitfähig sind, mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, guter Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Festigkeit, wie z. B. Kupfer, Silber, Aluminium und seine Legierungen in Drähten und Kabeln, elektronischen Geräten und anderen Bereichen sind weit verbreitet; leitfähige Keramiken leiten Elektrizität durch Ionenwanderung oder Elektronentransport, sowohl hohe Temperatur- als auch Korrosionsbeständigkeit, wie z. B. Indiumzinnoxid (ITO) für Touchscreens usw.Leitfähiges Glas, bestehend aus einem Glassubstrat und einer leitfähigen Oberflächenschicht, mit transparenter Leitfähigkeit für Solarzellen, Bildschirme usw.; supraleitende Materialien, die bei bestimmten Temperaturen keinen Widerstand aufweisen und vollständig antimagnetisch sind. Leitfähiges Glas besteht aus dem Glassubstrat und dem leitfähigen Oberflächenfilm, mit transparenter Leitfähigkeit, verwendet in Solarzellen, Bildschirmen, etc.; supraleitende Materialien bei einer bestimmten Temperatur Widerstand ist Null und haben eine völlig antimagnetisch, unterteilt in Tieftemperatur-Supraleitung, Hochtemperatur-Supraleitung und andere Arten von Supraleitung in der Energieübertragung, Medizin, Transport, Informationstechnologie, und anderen Bereichen sind weit verbreitet.
Isoliermaterialien: anorganische Isoliermaterialien wie Glas, Keramik, Glimmer usw. mit hohem spezifischen Widerstand, guter Wärmebeständigkeit, mechanischer Festigkeit und chemischer Stabilität, die für die elektrische Isolierung verwendet werden, z. B. Glas für Hochspannungsisolatoren, Keramik für die Isolierung von Transformatoren usw.; polymere Isoliermaterialien wie PVC, Polyimid (PI), Polytetrafluorethylen (PTFE) usw. mit unterschiedlichen isolierenden Eigenschaften und Merkmalen. Sie sind für verschiedene elektronische Geräte und Umgebungen geeignet.
Lesen Sie mehr dazu: Wesentliche elektronische Materialien: Teil 6 - Leitende und isolierende Materialien
Abb. 6 Keramische Elektronikwerkstoffe
8 Magnetische Werkstoffe
Hartmagnetische Werkstoffe (Dauermagnete): z. B. Alnico-Legierungen, Titan-Kobalt-Legierungen, Seltenerd-Kobalt-Dauermagnete usw., die den Magnetismus nach der Magnetisierung lange aufrechterhalten können und eine hohe Koerzitivfeldstärke, eine hohe Remanenz und ein hohes magnetisches Energieprodukt aufweisen und in Elektromotoren, elektronischen Vakuumgeräten und Mikrowellengeräten verwendet werden.
Weichmagnetische Materialien: wie Siliziumstahl-Weichmagnete, weichmagnetischer Ferrit usw., niedrige Koerzitivfeldstärke, hohe Permeabilität, leicht zu magnetisieren und zu entmagnetisieren, weit verbreitet in Transformatoren, Motoren, Drosseln, elektromagnetischer Abschirmung und anderen elektronischen Geräten, können Energieverluste verringern und die Effizienz verbessern.
Magnetische Legierungen: Sie bestehen aus Eisen und anderen Metallelementen und werden in weichmagnetische und hartmagnetische Legierungen unterteilt, die in den Bereichen Elektronik, Kommunikation, Energie usw. weit verbreitet sind, wie z. B. Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), das in Elektromotoren usw. verwendet wird, und Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierungen, die in speziellen Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden. Die Eigenschaften magnetischer Werkstoffe wie Permeabilität, Sättigungsflussdichte, Koerzitivfeldstärke usw. sind entscheidend für die Leistung elektronischer Geräte und spielen eine Schlüsselrolle bei Stromversorgungen, Transformatoren, Datenspeichern, Motoren, Sensoren, drahtloser Kommunikation und anderen Geräten.
Lesen Sie mehr dazu: Wesentliche elektronische Materialien: Teil 7 - Magnetische Werkstoffe
Abb. 7 NdFeB-Magnete
9 Schlussfolgerung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass elektronische Materialien das Fundament der modernen Elektronik bilden. Silizium hat eine herausragende Rolle gespielt, aber Materialien wie Siliziumkarbid und Galliumverbindungen sind im Kommen. Materialien auf Kohlenstoffbasis bieten neue Möglichkeiten. Leitende, isolierende und magnetische Materialien sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Die Entwicklungstrends deuten auf eine bessere Leistung und Zuverlässigkeit hin. Es werden Anstrengungen unternommen, um Materialien wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid zu verbessern. Die Forschung zu kohlenstoffbasierten Materialien konzentriert sich auf Synthese und Integration. Kontinuierliche Forschung und Innovation sind von entscheidender Bedeutung. Sie erfüllen bestehende Anforderungen und ermöglichen neue Technologien. Die Erforschung und Optimierung von Materialien ist für den Fortschritt der Elektronikindustrie unerlässlich.
Stanford Advanced Materials (SAM) ist ein wichtiger Anbieter hochwertiger elektronischer Materialien und unterstützt diese kritischen Anwendungen mit zuverlässigen Materiallösungen.
