Idealny półprzewodnik nie istnie... Jednak istnieje. Będzie samochłodząca elektronika?
Dzisiejsza elektronika oparta jest na krzemie. Ma dużą wadę: słabo przewodzi ciepło, przez co się szybko nagrzewa i wymaga chłodzenia. Naukowcy udowodnili właśnie, że istnieje lepszy półprzewodnik. Ale do rewolucji jeszcze daleko.
Półprzewodniki to materiały, które przewodzą prąd słabiej od przewodników, ale lepiej od izolatorów. Można tym sterować za pomocą odpowiednich domieszek, światła czy napięcia elektrycznego. To czyni z półprzewodników doskonałe materiały do elementów elektronicznych.
Najczęściej wykorzystywanym dziś półprzewodnikiem jest krzem - stanowi serce wszystkich procesorów. Ma jednak zasadniczą wadę. Jest też beznadziejnym przewodnikiem ciepła.
Gdy prąd przepływa przez krzemowe elementy, jego część zamienia się w ciepło. Jest to powód, dla którego elektronika się nagrzewa. Komputery wymagają chłodzenia właśnie dlatego, że krzem kiepsko przewodzi ciepło.
Krzem ma problem. Czy istnieje lepszy półprzewodnik?
Problem jest poważny. Już teraz tam, gdzie nie można pozwolić sobie na przegrzanie elektroniki (na przykład w elektrycznych samochodach Tesli), zamiast czystego krzemu stosuje się węglik krzemu. Jest gorszym półprzewodnikiem, ale lepiej oddaje ciepło.
Gdyby istniał półprzewodnik, który lepiej przewodzi ciepło, łatwiej oddawałby je sam do otoczenia. Długo takiego materiału poszukiwano, aż po latach trafiono na trop. Teoretycznie jedna z form arsenku boru powinna być dobrym półprzewodnikiem i doskonale przewodzić ciepło.
Z wyliczeń wynikało, że powinien być najlepszym przewodnikiem ciepła, jaki istnieje. Jego przewodność cieplna powinna być niemal dwa razy wyższa niż najlepszego do tej pory znanego materiału. To diament, którego przewodność cieplna wynosi około tysiąca W/(m · K), czyli watów na metr na kelwin. Przewodnictwo cieplne metali to zwykle setki watów na metr na kelwin, a krzemu ledwie 148.
Znaleziono idealny półprzewodnik - to arsenek boru
Trudno jednak było to sprawdzić, bo monokrystalicznego arsenku boru nie było. Tak, to nie pomyłka.
Monokryształy czystego arsenku boru w odpowiednim rozmiarze uzyskano dopiero niedawno. Pozwoliło to zmierzyć, czy rzeczywiście jest półprzewodnikiem i czy ma tak doskonały przewodnik ciepła. Wyniki tych pomiarów opisują badacze w “Science".
Jest bardzo dobrze, a nawet znakomicie. Arsenek boru przewodzi elektrony i dziury, a ciepło dziesięć razy lepiej od krzemu. A to oznacza, że może oddać ciepło dziesięć razy szybciej. Co to oznacza? Elektronikę, która nie wymaga chłodzenia i się nie przegrzewa.
Ale jeszcze nie teraz. Nie ma wydajnej technologii produkcji monokryształów arsenku boru. W przypadku krzemu minęły dziesięciolecia, zanim udało się masowo produkować go z odpowiednią czystością. Może tym razem uda się szybciej?
