（原标题：硅芯片，还有将来吗？）

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材料不错凭据其导电性进行分类——电流很容易在导体中流动，但不行在绝缘体中流动。

半导体介于两者之间：它们不错直率导电，但只可在特定条目下导电。这使得它们在计较畛域格外有效——诳骗半导体行为微芯片的基础，咱们不错逼迫开导中的电流，从而罢了系数神奇的功能。

自降生以来，硅一直垄断着芯片和科技行业——因此被称为“硅谷”——但它可能不是将来科技的最好材料。为了诠释原因，让咱们纪念一下芯片的职责道理、目下的技巧挑战以及未来可能取代硅的材料。

微芯片上布满了袖珍开关，称为“晶体管”，它们将键盘敲击声和软件形状翻译成计较机说话：二进制代码。如果开关翻开，电流不错流动——这是 1。如果开关关闭，电流就不行流动——这是 0。当代计较机所作念的一切最终王人归结于这些开关。

几十年来，咱们通过加多微芯片上晶体管的密度来阅兵计较机——天然第一个微芯片惟有一个晶体管，但现在咱们不错将数十亿个袖珍开关封装到指甲大小的芯片中。

第一个微芯片是由锗制成的，但科技行业很快领路到硅是制造芯片的更好的材料。

硅的主要优势在于储量丰富，价钱低廉，但熔点也更高，这意味着硅在高温下性能更好。硅还易于与其他材料“掺杂”，工程师们不错通过多种表情诊治其导电性。

通过不停松开硅芯片中的晶体管来制造速率更快、功能更雄伟的计较机这也曾典战略已经驱动失效。

宾夕法尼亚大学工程学磨真金不怕火 Deep Jariwala在 2022 年经受《华尔街日报》采访时示意：“尽管硅不错在如斯小的尺寸下职责，但进行一次计较所需的动力服从一直在上升，这使其极不可捏续。”“从动力角度来看，它已经莫得任何道理了。”

如果咱们念念延续阅兵咱们的技巧而不合环境形成进一步的轻松，咱们就需要治理这个可捏续性问题，而寻找治理决策的经由中，一些商议东谈主员驱动仔细商议由硅除外的半导体材料制成的芯片，其中包括氮化镓（一种由镓和氮制成的化合物）。

半导体的电导率各不疏导，主若是因为所谓的“带隙”。

质子和中子纠合在原子核内，而电子则围绕原子核旋转。材料要念念导电，电子就必须大略从“价带”跃迁到“导带”。促使电子出动所需的最小能量便是材料的“带隙”。

在导体中，这两个区域重复，莫得带隙——电子不错目田地穿过这些材料。在绝缘体中，带隙格外大，即使你对材料施加大量能量，电子也很难穿过它。

半导体处于中间位置。举例，硅的带隙为 1.12 电子伏特 (eV)。可是，氮化镓的带隙为 3.4 eV，这使其成为“宽带隙半导体”(WBGS)。

在电导率谱上，WBGS 更接近绝缘体，而且由于在这些材料中的两个波段之间出动电子需要更多的能量，因此由它们制成的芯片并不适用于极低压应用。

可是，WBGS 不错在比硅等半导体更高的电压、温度和能量频率下职责，况兼使用它们的开导不错运行得更快、更高效。

剑桥氮化镓中心主任 Rachel Oliver 告诉 Freethink：“如果你把手放在手机充电器上，手会很热，这便是硅片蹧跶的能量。氮化镓充电器摸起来会嗅觉凉好多——蹧跶的能量少好多。”

镓和镓化合物已在科技畛域应用了几十年，包括发光二极管、激光器、军用雷达、卫星、太阳能电板等等，但氮化镓目下是商议东谈主员商议的要点，他们但愿借此使科技愈加雄伟、愈加节能。

正如奥利弗所说，氮化镓手机充电器已经面世，商议东谈主员也但愿诳骗这种材料开发更快的电动汽车充电器，以治理铺张者对电动汽车的主要问题。

“电动汽车等开导的充电速率要快得多，”奥利弗说。“任何需要便携式电源、需要快速充电的东西，氮化镓王人具有潜在的要紧道理。”

氮化镓还不错阅兵军用飞机和无东谈主机的雷达，使它们大略从更远的距离识别筹算和恫吓，并提升数据中心作事器的服从，这关于使东谈主工智能更正变得经济实惠和可捏续至关要紧。

那么，既然氮化镓在各方面王人更胜一筹，而且已经存在了一段时期，为什么微芯片行业要围绕硅来构建呢？谜底一如既往，是资本：氮化镓芯片更上流，制造起来也更复杂。裁减资本并扩大出产限制需要时期，但好意思国政府正在奋发匡助启动这个新兴行业。

2024 年 2 月，好意思国凭据《芯片与科学法案》向半导体制造公司 GlobalFoundries授予15 亿好意思元，以扩大好意思国的芯片制造限制。

其中一部分资金将用于升级佛蒙特州的一家制造工场，使其大略多半量出产氮化镓半导体——这在好意思国目下还莫得罢了。凭据融资公告，这些半导体将用于电动汽车、数据中心、智高手机、电网和其他技巧。

不外，即使好意思国大略规复系数制造业的平淡运转，如果莫得镓，就无法出产氮化镓芯片，而目下的供应链并不踏实。

镓并不罕见——地壳中的镓含量果真与铜通常多——但与铜不同，镓并不存在于可开采的大型矿床中。不外，在含有铝和锌的矿石中也不错发现少许镓，因此在加工岩石以获取这些元素时会齐集镓。

舍弃 2022 年，中国出产的镓约占众人产量的90% 。与此同期，好意思国自 1980 年代以来就莫得再出产过镓——好意思国 53% 的镓从中国入口，另一半从其他国度入口。

2023 年 7 月，中国秘书将出于国度安全原因驱动法规镓和另一种材料锗的出口。

中国的规则并不回绝向好意思国出口镓，但要求潜在买家肯求许可证，并获取中国政府的批准。

好意思国国防承包商果真确定会被休止，尽头是如果他们在中国的“不可靠实体名单”上，但到目下为止，这些法规对大多数芯片制造商的影响似乎是镓价钱飞腾和订单交货时期蔓延，而不是穷乏，不外中国将来可能会遴荐加强对这种材料的逼迫。

好意思国早就知谈在关键矿产方面严重依赖中国事有风险的——在 2010 年与日本的争端时代，中国曾暂时回绝向日本出口稀土金属——当中国在 2023 年秘书道规次第时，好意思国已经在寻找安闲其供应链的形状。

可选决策包括从其他国度（如加拿大）入口镓（如果这些国度大略充分提升产量）以及从回收的电子垃圾中回收这种材料——好意思国国防部高档商议筹商局正在资助这方面的商议。

成就国内原料镓供应亦然一个遴荐。

总部位于荷兰的 Nyrstar 示意，其位于田纳西州的锌厂可开采出弥散的镓，得志好意思国现时 80% 的需求，但建造该加工场的资本高达 1.9 亿好意思元——目下该公司正在与好意思国政府就扩建资金进行谈判。

德克萨斯州朗德托普的矿床亦然镓的潜在开头。2021 年，好意思国地质探访局请教称，该矿床忖度含有36,500 吨镓——行为参考，中国在 2022 年出产了750 吨镓。

频繁情况下，镓的含量很少，而且散布极其分别，但 2024 年 3 月，好意思国关键材料公司在蒙大拿州苦根国度丛林发现了一个含有相对高浓度优质镓的矿床。

目下，德克萨斯州和蒙大拿州的镓王人尚未被索要，但爱达荷国度实验室和好意思国关键材料公司的商议东谈主员正在伙同开发一种环保的表情来获取这种材料。

镓并不是好意思国阅兵微芯片的唯独遴荐——中国不错使用一些不受逼迫的材料来制造更先进的芯片，在某些情况下，它们的阐明致使可能优于基于镓的芯片。

2024 年 10 月，芯片制造商 Wolfspeed 通过《CHIPS 法案》获取高达 7.5 亿好意思元的资金，用于缔造好意思国最大的碳化硅（也称为 WBGS）芯片制造工场，这种芯片比氮化镓更上流，但关于某些应用（举例高功率太阳能发电场）来说是更可取的。

奥利弗告诉 Freethink：“在某些电压范围内，氮化镓恶果格外好，而在其他电压范围内，碳化硅恶果更好。是以这取决于你要处理的电压和功率。”

好意思国还资助了超宽带隙半导体的微芯片商议，这种半导体的带隙大于 3.4 eV。这类材料包括金刚石、氮化铝和氮化硼，天然这些材料价钱上流且难以加工，但用它们制成的芯片有朝一日不错以更低的环境资本开释出惊东谈主的新功能。

“如果你辩驳的是海优势力发电传输并调遣到陆上电网时可能需要处理的电压类型，氮化镓可能无法处理，因为它无法处理这种电压，”奥利弗说。“氮化铝等超宽带隙材料不错。”

https://www.freethink.com/the-material-world/gallium-semiconductors

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