תחום החומרים האלקטרוניים חווה התרחבות מהירה, מונע על ידי חדשנות טכנולוגית ללא רחמים וההסתמכות הגוברת בעולם על מכשירים אלקטרוניים.מסמארטפונים וכלי רכב חשמליים ועד לאבחון רפואי מתקדם ומערכות אנרגיה מתחדשות, החומרים המאפשרים לטכנולוגיות אלה הם קריטיים יותר מתמיד.צמיחה זו מתורגמת לעושר של הזדמנויות קריירה לסטודנטים, אנשי מקצוע בתחום המהנדסים המוקדמים, ומהנדסים מנוסים כאחד הבנה של חומרים אלקטרוניים - הסוגים, הם, משרתים מגמות מתפתחות, בהתחשב בכל אחד, בהתחשב בתעשיות חיוניות, בהתחשב בהנדסת דרכים טכנולוגיות, או טכנולוגיות, בהתחשב, או טכנולוגיות, או טכנולוגיות חיוניות, או טכנולוגיות, הוא, בהתחשב.

מה הם חומרים אלקטרוניים?

חומרים אלקטרוניים הם חומרים מהונדסים במיוחד או נבחרים עבור התכונות החשמליות, האופטיות, המגנטיות או התרמיות שלהם, המאפשרים להם לבצע פונקציות ספציפיות בתוך מכשירים אלקטרוניים.הם יוצרים את אבני הבניין הבסיס של כמעט כל מערכת אלקטרונית מודרנית, מ שבב הסיליקון בתוך מחשב ועד לשרידים המוליכים על לוח מעגלים, השכבות המתפתלות המונעות מעגלים קצרים, ואת זרחנים המייצרים אור בתצוגת LED.

המחקר של חומרים אלקטרוניים יושב בצומת של חומרים מדע, פיזיקה מוצקה, כימיה, והנדסה חשמלית. במהלך המאה האחרונה, השדה השתנה משימוש בחומרים פשוטים כמו חוט נחושת ומצעים זכוכית לתרכובות מורכבות הנדסיות כגון גליום ניטריד (GaN), קרטייד הסיליקון (SiC), ומוליכים למחצה אורגניים.

סוגי חומרים אלקטרוניים

חומרים אלקטרוניים מסווגים באופן רחב על ידי התנהגות חשמלית שלהם, אבל מערכות מודרניות דורשות מגוון רחב של חומרים עם תכונות מיוחדות. להלן הקטגוריות העיקריות, כל אחד עם תפקידים נפרדים באלקטרוניקה.

Semiconductors

Semiconductors הם חומרים בעלי מוליכות חשמלית בין זה של מנצח ו insulator, ואת מוליכות שלהם יכול להיות נשלט בדיוק על ידי doping - קידוד זיהומים כדי לשנות את התכונות החשמליות שלהם.אלמנטים למחצה אלמנטים כמו סיליקון (Si) ו סיליקון (Ge) נשאר את שרידי העבודה של תעשיית האלקטרוניקה.coms מוליכים למחצה כגון רבודה (GA) ו-N) יש מתח גבוה יותר של לייזרים גדולים יותר (Nide) ו-Nide (Nide (N) כמו לאחרונה, אלקטרוניקה גבוהה יותר, אלקטרוניקה גבוהה יותר, אלקטרוניקה גבוהה יותר, אלקטרוניקה, ⁇ אלקטרוניקה גבוהה יותר, ⁇ ⁇ אלקטרוניקה גבוהה יותר, כמו אלקטרוניקה גבוהה יותר, 000) ו-N) הם מוליכים למחצה, 000) ו-N) הם מוליכים למחצה, 000 אלקטרוניקה גבוהה יותר ⁇ ⁇ אלקטרוניקה גבוהה יותר, 000) ⁇ אלקטרוניקה גבוהה יותר, 000 אלקטרוניקה גבוהה יותר ⁇ אלקטרוניקה גבוהה יותר ⁇ ⁇ אלקטרוניקה גבוהה יותר אלקטרוניקה גבוהה יותר מוליכים למחצה אופטימהפכה גבוהה יותר, 000 אלקטרוניקה גבוהה יותר מוליכים למחצה מוליכים למחצה ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ אלקטרוניקה

מוליכים

המוליכים מאפשרים זרם חשמלי לזרום עם התנגדות מינימלית. Copper הוא המנצח הנפוץ ביותר בלוחות מעגלים מתפתלים ו מודפסים בשל התנהגות מעולה שלה ועלות. Gold וכסף מציעים מוליכות גבוהה והתנגדות קורוזיה, מה שהופך אותם חיוניים עבור מחברים, אנשי קשר, וקשר חוטים ביישומים עמידים גבוהים.אלומיניום משמש בדרך כלל שידור כוח ועיגולים משולבים.

אינסטלטורים ודיאלקטריים

אינסטלטורים חוסמים את זרימת החשמל ומשמשים לבודד רכיבים מוליכים. insulators מסורתי כוללים זכוכית, קרמיקה ופולימרים כמו פוליimide ו- epoxy. in משולב מעגלים, שכבות דקות של סיליקון דו חמצני (SiO2) או דיאלקטריות גבוהות (למשל, תחמוצת מטריה) משמשות כמו מחצבים טרנזירים במחסנים חשמליים.

חומרים מגנטיים ורבפרורטיים

חומרים מגנטיים משמשים לאחסון נתונים, חיישנים מגנטיים, והופכים.חומרים קשים ומגנטים נדירים (למשל, ניאודימיום-ברזל-בורון) מאפשרים מנועים קומפקטיים ורמקולים. חומרים מגנטיים רכים כמו סגסוגת ברזל-סילייקון משמשים במניפסטים כוח וחוקרים לחומרים רב-פרומגנטיים - אשר מציגים במקביל תכונות ferroמגנטיות ופרי מגנטיות - כדי לפתוח את הזיכרון ספין-ארכי.

חומרים אופטיים ופוטניים

חומרים אלה להמיר אותות חשמליים לאור או להיפך. מוליכים למחצה ישירות-bandgap כמו ארסנסניד ו indium phosphide משמשים לייזרים ו photodetectors. Light-emitting diodes (LEDs) להסתמך על מוליכים למחצה מורכבים כגון niiumtride (כחול / LEDs לבן) ואלומיניום indium phosphide ( LEDsphide) כמו נוריתים אופטיים אופטיים אופטיים).

מגמות מתפתחות באלקטרוניקה

מספר מגמות טרנספורמטיביות מעצבות מחדש את הנוף של חומרים אלקטרוניים, ויוצרות גבולות מחקר חדשים והזדמנויות מסחריות.

אלקטרוניקה גמישה ומתיחה

היכולת לגוון מעגלים אלקטרוניים על תת-שכבות גמישות כמו פולימידיד, PET, או אפילו נייר מאפשר מכשירים כי יכול להיותנד, קפל, ותואמים משטחים מעוקלים. יישומים נע בין צגים בריאותיים עונדים וסמארטפונים מתקפלים לעור אלקטרוני עבור אסתטיקה.התקדמות במוליכים למחצה אורגניים, ננווטים כסף, ומוליכים מבוססי גרפן הם מניעים שדה זה קדימה.

ננו-חומרים ו-Fits

ב nanoscale, חומרים מציגים תכונות אלקטרוניות אופטיות ייחודיות. dots קוונטית - גבישים חצי מוליכים למחצה - יכול פולטים צבעים ספציפיים של אור מבוסס על גודל, מהפכה טכנולוגית תצוגה (טלוויזיות QLED) ודמיית ביולוגית. צינורות פחמן וגרף מציעים תכונות חשמליות מכניות יוצאות דופן, מבטיח טרנזירים מהירים יותר, מסובכים חזקים יותר, וגממים אלקטרודות שקוף.

אלקטרוניקה אורגנית

מוליכים למחצה אורגניים - פולימרים מבוססי פחמן או מולקולות קטנות - ניתן לעבד באמצעות הדפסה זולה או טכניקות ציפוי, המאפשר מכשירים כגון דיודות אור אורגני (OLEDs), photovoltaics אורגני (OPVs), ו-Or אורגני אפקט טרנזיסטור (OFETs) חומרים אלה הם קל משקל, גמיש, פוטנציאל מחזורי, למרות יציבות לטווח ארוך וביצועים עדיין מאחורי מקבילים אורגניים.

רחב-Bandgap ו- Ultrawide-Bandgap Semiconductors

מעבר לסיליקון, חומרים רחב פסאגפ (GaN, SiC) כבר מקלקלים סיליקון בממירי חשמל, כלי רכב חשמליים מופנים, ו-5G RF מגבר. מוליכים למחצה של אולטרה-פסגפ כגון סגסוגת גליום (Ga2O3) ובטיחות יהלום אפילו יותר חסימת מתח ויכולות ניהול תרמי עבור רשתות חשמל הדור הבא ואלקטרוניקה מרחבי.

אנרגיה-Harvesting and Thermoelectric Materials

חומרים שהופכים חום פסולת לחשמל - מותאמים לחשמל - מפותחים באמצעות תרכובות כמו דו-תת' מספרד ומובילה אספרטוריד, יחד עם חומרים ננו-מבנים מתקדמים. Piezoelectric חומרים (למשל, להוביל zirconate titanate, PZT) וחומרים תלת-סגוליים מאפשרים איסוף אנרגיה מתרוקנות מכניות, כוח פוטנציאלי של מיליוני חומרים אלחוטיים באינטרנט של חיישנים (Internet of Things).

אפשרויות קריירה באלקטרוניקה

הביקוש הגובר לחומרים אלקטרוניים מתקדמים יצר נתיבי קריירה מגוונים ומתגמלים.מקצוענים בתחום זה עובדים על פני מחקר, עיצוב, ייצור, איכות ביטחון, והנדסת יישומים. להלן הם תפקידים מרכזיים, יחד עם אחריות טיפוסית דרישות מיומנות.

מדעי המחשב / Research Scientist

מדענים חומרים חוקרים את המבנה והמאפיינים של חומרים כדי לגלות חומרים חדשים או לשפר את אלה הקיימים.הם מעצבים ניסויים, להשתמש בכלים אפיון (דיפרציה רנטגן, מיקרוסקופיה אלקטרונים, ספקטרוסקופיה), ולשתף פעולה עם מהנדסים כדי לתרגם תגליות מעבדה למכשירים מעשיים. A Ph.D. בחומרים מדעיים, פיזיקה, או כימיה הוא נפוץ עבור תפקידי מחקר באקדמיה ומעבדות R&D.

מהנדס תהליכים / מהנדס ייצור

מהנדסי תהליכים מפתחים וייעלו את שיטות הייצור המשמש לייצור חומרים אלקטרוניים ומכשירים.ב- Semiconductor fabs, הם מנהלים את המחיקה, ההשמדה, הליתוגרפיה, ופעולות מינוף.מיומנויות בהנדסה כימית, בקרה על תהליכים סטטיסטיים, ופרוטוקולים נקיים הם חיוניים.תואר ראשון או מאסטר בהנדסה כימית, הנדסה חשמלית או חומרים הוא טיפוסי.

מהנדס חשמל / מהנדס חשמל

מהנדסי התקנים מעצבים ובדיקת רכיבים אלקטרוניים כגון טרנזיס, דידות, חיישנים, תאים סולאריים.הם משתמשים בתוכנה סימולציה (TCAD, SPICE) ועובדים בשיתוף פעולה הדוק עם חומרים שמדענים לשלב חומרים חדשים למכשירים פונקציונליים. יסודות חזקים בפיסיקה מוליכים למחצה, עיצוב מעגלים, מודלים נדרשים. A Master's או Ph.D הוא לעתים קרובות מועדף על מנת חיתוך תפקידים R&D.

בקרת איכות / Reliability Engineers

מומחים אלה מבטיחים כי חומרים אלקטרוניים ומכשירים לעמוד בסטנדרטים מחמירים של ביצועים ובטיחות.הם מבצעים ניתוח כשל, להאיץ את בדיקות החיים וליישם שיטות בקרה איכותיות סטטיסטית.הכרת עם טכניקות אנליטיות (SEM, EDX, FTIR) וסטנדרטי התעשייה (ISO, IPC, JEDEC) חשוב.

ניהול / טכני מכירות

המהנדסים של יישומים מגשרים על הפער בין הספקים החומריים לבין משתמשי הקצה.הם מסייעים ללקוחות לבחור את החומרים הנכונים עבור יישומים ספציפיים, בעיות לפתרון בעיות אינטגרציה ולספק תמיכה טכנית.תפקיד זה דורש מיומנויות תקשורת חזקות יחד עם הבנה עמוקה של תכונות חומריות ופיסיקה של מכשירים.

מפתחת: Nanofabrication Specialist, Data Scientist for Materials, Sustainability Engineers

ככל שהשדה מתפתח, תפקידים בינתחומיים חדשים מתעוררים.מומחים בתחום ננופיבריון פועלים כלי ליתוגרפיה מתקדמת ופירוק. מדעני נתונים משתמשים בלמידה של מכונה כדי להאיץ את גילוי החומרים.מהנדסי קיימות מתמקדים בפיתוח חומרים אלקטרוניים הניתנים למחזור או ביו-ממדידיים וייצור סיבולת להשפעה סביבתית מופחתת.

הזדמנויות קריירה משתרעות על מספר תחומים:

  • (FLT:0) מוליכים ומיקרואלקטרוניקה: קידמה (FLT) 1 חברות כמו אינטל, TSMC, סמסונג וחומרים יישומיים.
  • (ב) אלקטרוניקה:0 (Consumer Electronics: 1) Apple, Samsung, LG ו-Sony.
  • (FLT:0) קטר ואווירה: 1FIRLT 1 טסלה, פורד, בואינג וקבלני הגנה.
  • (FLT:0) ,Energy:FLT:1 יצרניות פאנל סולאריות (השמש הראשונה, השמש), חברות סוללות (Panasonic, LG Chem).
  • (ב) ,0) מכשירים רפואיים: מנטרוניקה, אבוט וקובעים ציוד אבחון.
  • מוסדות מחקר ומעבדות לאומיות: FLT:0 (מחקרים ומעבדות לאומיות: FIRLT:1) כמו MIT Lincoln Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, ואת המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL).

על פי נתוני הלשכה לסטטיסטיקה של העבודה בארה"ב, התעסוקה של מדענים ומהנדסים צפויה לגדול 8% מ-2023 עד 2033, מהר יותר מהממוצע לכל עיסוקים, מונעים על ידי דרישה לחומרים חדשים באלקטרוניקה, אנרגיה ובריאות.

כיצד להתחיל קריירה באלקטרוניקה

בניית קריירה בחומרים אלקטרוניים דורשת שילוב של חינוך, ניסיון על הידיים, ורשת.כאן הם צעדים מעשיים להיכנס לתחום.

נתיבים חינוכיים

  • תואר שני:0 (Bachelor: FLT:1) A B.S במדעי החומרים, הנדסה חשמלית, פיזיקה, כימיה, או הנדסה כימית מספק בסיס חזק.עבודת קורס הליבה כוללת thermoדינמית, קריסטלוגרפיה, פיזיקה של מדינת מוצק, ותכונות אלקטרוניות של חומרים.
  • (FLT:0) תואר שני: 1FLT:1 תואר שני מאפשר התמחות בתחומים כמו עיבוד מוליכים למחצה, nanofabricationcationcationcationcationcation, או אלקטרוניקה אורגנית. אוניברסיטאות רבות מציעים תוכניות מחקר מבוסס M.S עם אפשרויות התזה.
  • (FLT:0)Ph.D.המחשה: 1FLT:1 דוקטורט חיוני לתפקידי מנהיגות במחקר R&D ואקדמיה תאגידי. Ph.D. תוכניות כרוכות התמחות עמוקה ותרומות מחקר מקוריות.

השגת ניסיון מעשי

  • (FLT:0) הבין-לאומיות: 1.FLT:1 Internships בחברות Semiconductor, מעבדות לאומיות, או סטארט-אפים מספקים חשיפה מעשית לתהליכי חדרים נקיים, לאופיון ולפרקטיקות בתעשייה.
  • מחקר לתואר ראשון:0 (FLT:1 הצטרף למעבדת פרופסור מוקדם עוזר לבנות מיומנויות טכניות וניסיון מחקר.
  • (FLT:0)Co-ops and Fellowships:FLT:1 Structured תוכניות חינוך שיתופי או NSF בוגר מחקר מלגות מציעים טבילה מורחבת בהגדרות מקצועיות.

בניית מיומנויות טכניות

  • (FLT:0) מיומנויות:03: ⁇ FLT:1 , P בקיוון חומרים (SEM, TEM, XRD, AFM, Raman spectroscopy) וטכניקות ייצור (כימי פודור, photolithography, שכבת אטומית deposition) הוא מוערך מאוד.
  • (FLT:0Simulation and Data Analysis:FLT:1-הידע עם כלים כמו COMSOL, LAMMPS או Python עבור מודלים של התנהגות חומרית וניתוח נתונים ניסיוניים חשוב יותר ויותר.
  • (FLT:0) מיומנויות Soft:FLT:1 פתרון בעיות, תקשורת בין-תחומית וניהול פרויקטים הם קריטיים לסביבות שיתופיות של R&D.

פיתוח רשת ומקצועי

  • הצטרף לחברות מקצועיות כגון The Materials Research Society (MRS), IEEE Electron Devices Society, או האגודה האמריקנית ל- Ceramic.
  • כנסי השתתפות (למשל, MRS Spring/ Fall Meeting, IEEE International Electron Devices Meeting) כדי להציג מחקר ולחבר עם מנהיגי התעשייה.
  • הסמכה של Obtain כמו Six Sigma או סוכן פטנטים רשום חייב להבדיל את עצמך.

תחזית וחדשנות לעתיד על Horizon

העשור הבא מבטיח התקדמות יוצאת דופן בחומרים אלקטרוניים, מונע על ידי צרכים חברתיים עבור מחשוב מהיר יותר, אנרגיה נקייה, חישה בכל מקום, ופיצות דרך בריאות.

  • חומרים מעבר לגרף:0 (2D חומרים מעבר לגרף:FLT:1 Transition מתכת dichalcogenides (למשל, MoS2, WS2) ו hexagonal boron nitride (h-BN) מציעים עובי בקנה מידה אטומי עם תכונות אלקטרוניות טונה, המאפשרים טרנסיסטורים אולטרה-נמוכים ו photodetec גמישים.
  • חומרים טופולוגיים:0 (FLT:1 חומרים שמוליכים חשמל לאורך הקצוות שלהם ללא דיסיפוציה יכולים להוביל לאלקטרוניקה ללא אובדן ורכיבי מחשוב קוונטיים.
  • חומרים LT:0 (Neuromorphic ו memristive Materials: FLT:1 חומרים המחקים התנהגות סינפילטית, כגון מזכרים מבוססי תחמוצת תחמוצת תחמוצת, הם מפתח לאדריכלות מחשוב בהשראת המוח שיכולה להפחית באופן דרמטי את צריכת האנרגיה.
  • (FLT:0) חומרים אלקטרוניים בעלי יכולת גבוהה וביו-מכילים:FLT ( 1:1 biodegradable אלקטרוניים חומרים אלקטרוניים (למשל, תת-קרקעיים מבוססי תאולוז, אלקטרודות אבץ) מפותחים עבור שתלים רפואיים טרנסיים וחיישנים ידידותיים לסביבה.
  • (FLT:0) פוטוניקה משולבת: 1FLT:1 סיליקון פוטוניקה ו ליתיום ניבפט מודטורים מאפשרים חיבורים אופטיים גבוהים בתוך מרכזי נתונים ובסופו של דבר שבבים, הדורשים אסטרטגיות אינטגרציה חומריות חדשות.

הביקוש לאנשי מקצוע מיומנים שיכולים לפתח, לאפיין ולשלב חומרים אלה במערכות אמינות ימשיך לגדול.כפי שצוין בדו"ח שנערך לאחרונה על ידי האגודה התעשייתית Semiconductor, תעשיית המוליכים למחצה בארה"ב לבדה צפויה לעמוד בפני מחסור של עד 67,000 עובדים מיומנים עד 2030, תוך הדגשת הצורך בהשקעה בחינוך ובהכשרה.

עבור אלה נרגשים על ידי צומת של מדע בסיסי ואפקט בעולם האמיתי, התחום של חומרים אלקטרוניים מציע קריירה דינמי ומתגמלת.אם אתה נמשך כדי לגלות תרכובות חדשות, אופטימיזציה של ייצור גבוה, או עיצוב מכשירים שיכולים לשנות את העולם, ההזדמנויות הן עצומות וצמיחה.

(ב) לבחון לעומק, להתייעץ עם המשאבים של האגודה לחקר מדעי הרוח (FLT:0) ,(האגודה למחקרים של אמבריטיס 1:1), סקירת נתוני הקריירה של ה-FLT:2U.S. Bureau of Labor StatisticsFLT 3: ולהישאר מעודכן באמצעות פרסומים כגון FLT:4 חומרים טבע FLT:5 ו-FLT:6ACS ננופל 7.

עתיד האלקטרוניקה ייכתב בחומרים שאנו בוחרים – והחומרים האלה יומצאו, מעודנים, וייששמו על ידי הדור הבא של מדענים ומהנדסים.