Puolijohde ja mikrosiru

Maailman paras puolijohde löytyi

Uusi materiaali voi mullistaa tekniikan ratkaisemalla kaksi isoa nykyisten puolijohdemateriaalien pulmaa.

Uusi materiaali voi mullistaa tekniikan ratkaisemalla kaksi isoa nykyisten puolijohdemateriaalien pulmaa.

Jonas Svidras/Unsplash

Pii on vallitseva materiaali elektroniikkateollisuudessa, koska se on hyvä sitomaan atomeja – ja koska sen tuotanto ja helppoa ja halpaa.

Piin merkitystä kuvastaa sekin, että tietotekniikka-alan keskus Kaliforniassa on nimeltään Piilaakso. Siellä kehitetään tekniikkaa, joka perustuu piistä valmistettuihin transistoreihin, puolijohteisiin ja mikrosiruihin.

Piihin liittyy kuitenkin ongelmia.

Piistä valmistettuja puolijohteita pitää jäähdyttää. Pii nimittäin johtaa huonosti lämpöä, minkä piikomponentit saavat helposti tietokoneen lämpenemään liikaa. Siksi tarvitaan kalliita ja usein äänekkäitäkin jäähdytyslaitteita.

Toinen pulma on se, että vaikka pii rakenne on ihanteellinen elektronien liikkumisen kannalta, aukkojen eli elektronien positiivisesti varautuneiden vastakappaleiden liikkuminen on hidasta. Juuri aukot ovat tärkeitä tietyn tyyppisissä mikrosiruissa.

Puolijohde ja mikrosiru

Tutkijat uskovat. että kuutiomaisesta booriarsenidista tehdyt puolijohteet mullistavat elektroniikan.

© Jonas Svidras/Unsplash

Ratkaisuksi saattaa muodostua kuutiomainen booriarsenidi. Sen on kehittänyt kansainvälinen tutkimusryhmä, jossa on tutkijoita yhdysvaltalaisista Massachusettsin teknillisestä korkeakoulusta MIT:stä ja Houstonin yliopistosta sekä 13 muusta tutkimuslaitoksesta.

Ainutlaatuinen materiaali

Kuutiomaisen booriarsenidin rakenne mahdollistaa sekä elektronien että aukkojen hyvän liikkuvuuden. Kun sähkö liikkuu sekä elektronien että aukkojen muodossa, aineen sähkönjohtavuus paranee huomattavasti. Tutkijat kuvailevatkin booriarsenidin ominaisuuksia ainutlaatuisiksi.

Kuutiomaisen booriarsenidin hila

Kuutiomaisen booriarsenidin rakenne mahdollistaa sähkövirran liikkuvuuden sekä elektronien että niin sanottujen aukkojen muodossa.

© Christine Daniloff/MIT

Täydellinen lämmönjohdin

Tutkijaryhmä on niin innoissaan löydöstään, että he kutsuvat sitä parhaaksi koskaan löydetyksi puolijohteeksi. Kuutiomaisen booriarsenidin sähkönjohtokyky on kymmenen kertaa niin suuri kuin piin.

Lisäksi kuutiomaisen booriarsenidin lämmönjohtokyky on erinomainen.

"Nykyisin juuri lämpö on iso ongelma monissa elektroniikkatuotteissa," kertoo yksi tutkimuksen tekijöistä Jungwoo Shin, Massachusettsin teknillisestä korkeakoulusta.

"Parhaillaan monet sähköautonvalmistajat, kuten Tesla, ovat siirtymässä elektroniikassa piistä piikarbidiin, jonka lämmönjohtokyky on kolme kertaa suurempi kuin piin, vaikka sen varauksenkuljettajien liikkuvuus on pienempi. Kuvittele, mitä saadaan aikaan booriarsenidilla, jonka lämmönjohtavuus on kymmenkertainen ja virrankuljettajien liikkuvuus paljon suurempi kuin piissä. Se voi mullistaa koko alan."

Kuutiomaisen booriarsenidin kiteitä

Tältä näyttävät kuutiomaisen booriarsenidin kiteet. Booriarsenidillä on erinomainen lämmönjohtavuus, ja siksi siitä tehdyt puolijohteet eivät lämmitä tietokonekonetta samalla tavalla kuin piijohteet.

© University of Houston

Kohti kestävää tekniikkaa

Seuraavaksi tutkijat yrittävät kehittää menetelmän, jossa kuutiomaista booriarsenidia voidaan valmistaa suuria määriä.

Boori ja arseeni ovat melko yleisiä alkuaineita, mutta uuden materiaalien yleistyminen voi tyssätä yritysten asenteeseen. Piin asema elektroniikkateollisuudessa on niin vahva, että voi olla vaikeaa saada valmistajat luopumaan siitä, vaikka booriarsenidi olisi parempi vaihtoehto.

Tutkijat toivovatkin, että yritykset huomaavat booriarsenidin mahdollisuudet ja ottavat uuden materiaalin käyttöön.

Piin korvaaminen booriarsenidilla olisi eduksi myös ympäristölle. Booriarsenidikomponenttien jäähdyttämiseen ei tarvita erillisiä puhaltimia, mikä tekisi siihen perustuvasta elektroniikasta halvempaa ja ympäristöystävällisempää kuin piijohteista.