En İyi Yarı-İletken İle Tanışın: Kübik Bor Arsenit

Günümüz elektronik endüstrisinin temel yapıtaşı silikondur. Bilgisayarlarınızın, telefonlarınızın aklınıza gelen neredeyse tüm elektronik cihazların içinde silikon çipler bulunmaktadır. Silikonun kendine bu kadar geniş bir kullanım alanı bulması da onun eşsiz özelliklerine bağlıdır.

Öncelikle silikon yerkürede oksijenden sonra en çok bulunan elementtir. Buna ek olarak silikonun bir yarı-iletken olması onu endüstrinin en ucuz ve en dominant malzeme haline gelmesini sağlamıştır. Ancak silikonun bazı idealden uzak yani istenmeyen özellikleri, onun bir sonraki nesil elektronik cihazlardaki yeri konusunda şüphelere yol açıyor. Bu nedenle bilim insanları çoktan silikona göre daha gelişmiş, daha ideale yakın yarı-iletken malzeme arayışına başladılar.

Yukarıdaki fotoğrafta yer alan bor arsenit bugüne kadar yalnızca laboratuvar ölçekli deneylerde test edilebildi. Bilim insanları, MIT tarafından geliştirilen özel yöntemleri kullanarak yaptıkları bu testler sonucunda bu malzemenin termal iletkenliğini silikonunkinden neredeyse 10 kat daha fazla olduğunu keşfetti.

Tarih 22 Temmuz 2022’yi gösterdiğinde bir grup bilim insanı, belki de bulunan en iyi yarı-iletken olan Kübik Bor Arsenit “Cubic Boron Arsenide (c-BAs)” hakkında bir çalışma yayınladılar. Bu çalışmaya göre c-BAs, silikona hemen hemen her noktada üstünlük sağlıyor.

Kübik Bor Arsenit Hangi Avantajları Bize Sunacak

Örneğin, silikon yüksek elektron hareketliliğine sahip olan bir malzeme. Ancak aynı şeyi delik hareketliliği için söylemek mümkün değil. Bu değer silikonda düşük seviyededir. Fakat Kübik Bor Arsenit, ideal bir yarı-iletkende olması beklendiği gibi yüksek elektron ve delik hareketliliğine sahiptir.

Ayrıca silikonun endüstride en çok sorun çıkartan dezavantajlarından ısıl iletkenliğinin düşük olması bu malzeme için geçerli değildir. Çalışma özelinde daha fazla detaya girmeden, yukarıda bahsettiğimiz birkaç terimi açıklamak yararlı olacaktır.

Yarı-İletken Nedir?

Yazımızın başından beri yarı-iletken, yarı-iletken özellikleri diye bahsedip duruyoruz. Burada “yarı-iletken” diye kastettiğimiz dış etkiler (ışık, elektrik…) sayesınde yalıtkanlığı ve iletkenliği ayarlanabilen maddelerdir. Bu maddeler iletkenlere göre daha büyük, yalıtkanlara göre daha küçük bant aralığına sahiptirler. Bu arada bant aralığı derken kastettiğimiz maddenin iletim bandı ve değerlik bandı arasındaki enerji seviyesidir.

Enerji Bant Aralığı
(Matematiksel)

Bu bant aralığı bir maddenin iletkenliği için önemlidir. Çünkü iletkenlik maddenin içindeki serbest olarak dolaşan elektronlara veya onların pozitif işaretli karşılıkları olan deliklere bağlıdır. Bant aralığı ise kabaca elektronların serbestçe dolaşacağı iletkenlik bandı ile elektronların deliklerle bağlı bulunduğu değerlik bandı arasındaki sınırın büyüklüğüdür.

İletken maddelerde bu sınırın neredeyse olmaması elektronların serbestçe dolaşmasını sağlar. Ancak yalıtkanlarda bu sınırı aşabilmek oldukça zordur. Lakin yarı-iletkenlerde istenildiği vakit dış etkenler uygulanarak maddenin değerlik bandında bulunan bir elektronu iletkenlik bandına aktarılır. Böylelikle maddenin iletkenliği de kontrol edilecektir.

Elektron ve Delik Hareketliliği

İletkenliğin bağlı olduğu bir diğer parametre de bir elektrik alan etkisi altında serbest dolaşan elektron veya deliklerin malzeme içinde ne kadar hızlı serbest dolaştığıdır. İşte bu parametre elektron veya delik hareketliliği olarak adlandırılmaktadır.

Yazımızın başında silikonun ve kübik bor arsenidin elektron ve delik hareketliliğinden sözel olarak bahsetmiştik. Bu ifadeyi sayısala dökersek aradaki fark daha net olarak gözükecektir.

  • Silikonun oda sıcaklığındaki (300K) elektron hareketliliği ≌1400 cm2 V-1 s-1
  • Silikonun oda sıcaklığındaki (300K) delik hareketliliği ≌450 cm2 V-1 s-1
  • Kübik bor arsenidin oda sıcaklığındaki (300K) elektron hareketliliği >1000 cm2 V-1 s-1
  • Kübik bor arsenidin oda sıcaklığındaki (300K) delik hareketliliği >1000 cm2 V-1 s-1

Isı İletkenlik

Bu noktadan öncesinde iletkenlik olarak bahsettiğimiz elektriksel olarak iletkenlikti. Şimdi özel olarak ısı-termal iletkenlik ile ilgileneceğiz. Isı iletkenlik bir malzemenin ısı iletim kabiliyetini ifade eder. Isı iletkenliği yüksek olan bir malzemede ısı kolayca sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru akabilir.

Özellikle elektronik cihazlardaki “ısınma sorunlarının” giderilmesi için ısı iletkenliği yüksek malzemeler tercih edilmelidir. Lakin ne yazık ki silikon ısı iletmede istediğimiz seviyeden oldukça uzaktır. Bu nedenle de soğutma sistemleri için oldukça yüksek miktarda para harcıyoruz.

Kübik bor arsenidin yaygınlaşması mümkün olursa soğutma sistemlerine harcadığımız paradan tasarruf yapabiliriz. Çünkü ısı iletim katsayısı yaklaşık olarak silikonunkinin 10 katıdır. Oranlar tam olarak aşağıdaki gibidir.

  • Silikonun oda sıcaklığındaki(300K) ısı iletim katsayısı ≌ 140Wm-1 K-1
  • Kübik bor arsenidin oda sıcaklığındaki(300K) ısı iletim katsayısı ≌ 1400Wm-1 K-1

Ayrıca kübik bor arsenit bu ısı iletim katsayısı ile, elmas ve izotopik olarak zenginleşmiş kübik bor nitrürden sonra en büyük ısı iletim katsayısına sahiptir.

Kübik Bor Arsenidin Geleceği

Yukarıda aktardığımız özellikler, bu malzemeyi silikondan ve diğer silikon alternatiflerinden farklı bir noktaya koyuyor. Ve onun şu ana kadar bulunmuş en ideal yarı-iletken olarak nitelendirilmesine yol açıyor. Yine de endüstriye hemen silikonları rafa kaldırmasını söylemek biraz aceleci davranmak olur.

Çünkü bu malzeme ilgili hala cevaplanması gereken bazı sorular var. Örneğin, “Malzeme bu özelliklerini koruyarak ne kadar uzun süre dayanabilir? Malzemenin üretim maliyeti nasıl düşürülebilir? Nasıl seri üretime hazır hale getirilebilir?” bu sorulardan bazıları. Eğer bir gün bu sorular cevaplanırsa silikon bazlı elektronik cihazlarımızdan yeni nesil kübik bor arsenit bazlı elektronik cihazlarımıza geçebiliriz.



Kaynaklar ve ileri okumalar

  • David L. Chandler | MIT News Office. (n.d.). The Best Semiconductor of them all? MIT News | Massachusetts Institute of Technology. Retrieved September 21, 2022, from https://news.mit.edu/2022/best-semiconductor-them-all-0721
  • Shin, J., Gamage, G. A., Ding, Z., Chen, K., Tian, F., Qian, X. Zhou, J., Lee, H., Zhou, J. Shi, L., Nguyen, T., Han, F., Li, M., Broido, D. Schmidt, A., Ren, Z., & Chen, G. (2022, July 22). High ambipolar mobility in cubic boron arsenide. Science, 377(6604), 437–440. https://doi.org/10.1126/science.abn4290

Matematiksel

Kamil Anıl

Cevaplardan çok sorulara merak duyan, bilginin yaygınlaşması için katkıda bulunmak isteyen ,eğitim hayatını ODTÜ'de sürdüren bir öğrenciyim. Ayrıca bilim ve matematiğin uçsuz bucaksız olduğuna ve herkese ulaşabileceğine inanmaktayım. Yeter ki ne kadar zaman geçerse geçsin "hala öğreniyorum" diyebilelim.
Başa dön tuşu