O que são materiais semicondutores de primeira geração, segunda geração, terceira geração e quarta geração?

Materiais semicondutores são materiais com condutividade elétrica entre condutores e isoladores à temperatura ambiente, amplamente utilizados em áreas como circuitos integrados, comunicações, energia e optoeletrônica. Com o desenvolvimento da tecnologia, os materiais semicondutores evoluíram da primeira para a quarta geração.

Em meados do século 20, a primeira geração de materiais semicondutores era composta principalmente de germânio (Ge) esilício(Si). Notavelmente, o primeiro transistor e o primeiro circuito integrado do mundo foram ambos feitos de germânio. Mas foi gradualmente substituído pelo silício no final da década de 1960, devido às suas desvantagens, como baixa condutividade térmica, baixo ponto de fusão, baixa resistência a altas temperaturas, estrutura de óxido solúvel em água instável e resistência mecânica fraca. Graças à sua resistência superior a altas temperaturas, excelente resistência à radiação, notável relação custo-benefício e reservas abundantes, o silício substituiu gradualmente o germânio como material principal e manteve esta posição até o momento.

Na década de 1990, a segunda geração de materiais semicondutores começou a surgir, com arsenieto de gálio (GaAs) e fosfeto de índio (InP) como materiais representativos. Os segundos materiais semicondutores oferecem vantagens como grande bandgap, baixa concentração de portadores, propriedades optoeletrônicas superiores, bem como excelente resistência térmica e resistência à radiação. Essas vantagens os tornam amplamente utilizados em comunicação por microondas, comunicação por satélite, comunicação óptica, dispositivos optoeletrônicos e navegação por satélite. No entanto, as aplicações de materiais semicondutores compostos são limitadas por questões como reservas raras, altos custos de materiais, toxicidade inerente, defeitos profundos e dificuldade na fabricação de wafers de grande porte.

No século 21, materiais semicondutores de terceira geração comocarboneto de silício(SiC), nitreto de gálio (GaN) e óxido de zinco (ZnO) surgiram. Conhecidos como materiais semicondutores de banda larga, os materiais semicondutores de terceira geração exibem excelentes propriedades, como alta tensão de ruptura, alta velocidade de saturação de elétrons, condutividade térmica excepcional e excelente resistência à radiação. Esses materiais são adequados para a fabricação de dispositivos semicondutores que funcionam em aplicações de alta temperatura, alta tensão, alta frequência, alta radiação e alta potência.

Atualmente, os materiais semicondutores de quarta geração são representados poróxido de gálio(Ga₂O₃), diamante (C) e nitreto de alumínio (AlN). Esses materiais são chamados de materiais semicondutores de bandgap ultralargo, tendo uma intensidade de campo de ruptura maior do que os semicondutores de terceira geração. Eles podem suportar tensões e níveis de potência mais elevados, adequados para a fabricação de dispositivos eletrônicos de alta potência e dispositivos eletrônicos de radiofrequência de alto desempenho. No entanto, a cadeia de produção e fornecimento destes materiais semicondutores de quarta geração não está madura, colocando desafios significativos na produção e preparação.