अर्धचालक सामग्रीहरू तीन परिवर्तनकारी पुस्ताहरू मार्फत विकसित भएका छन्:
पहिलो पुस्ता (Si/Ge) ले आधुनिक इलेक्ट्रोनिक्सको जग बसालेको थियो,
दोस्रो पुस्ता (GaAs/InP) ले सूचना क्रान्तिलाई शक्ति प्रदान गर्न अप्टोइलेक्ट्रोनिक र उच्च-फ्रिक्वेन्सी अवरोधहरू तोड्यो,
तेस्रो पुस्ता (SiC/GaN) ले अब ऊर्जा र चरम-वातावरणीय चुनौतीहरूको सामना गर्दछ, जसले कार्बन तटस्थता र 6G युगलाई सक्षम बनाउँछ।
यो प्रगतिले बहुमुखी प्रतिभाबाट भौतिक विज्ञानमा विशेषज्ञतामा परिवर्तनको उदाहरण प्रकट गर्दछ।
१. पहिलो पुस्ताका अर्धचालकहरू: सिलिकन (Si) र जर्मेनियम (Ge)
ऐतिहासिक पृष्ठभूमि
१९४७ मा, बेल ल्याब्सले जर्मेनियम ट्रान्जिस्टरको आविष्कार गर्यो, जसले अर्धचालक युगको सुरुवातलाई चिन्ह लगायो। १९५० को दशकसम्ममा, स्थिर अक्साइड तह (SiO₂) र प्रचुर मात्रामा प्राकृतिक भण्डारको कारणले गर्दा सिलिकनले बिस्तारै जर्मेनियमलाई एकीकृत सर्किट (ICs) को जगको रूपमा प्रतिस्थापन गर्यो।
भौतिक गुणहरू
Ⅰब्यान्डग्याप:
जर्मेनियम: ०.६७eV (साँघुरो ब्यान्डग्याप, चुहावटको सम्भावना, कमजोर उच्च-तापमान प्रदर्शन)।
सिलिकन: १.१२eV (अप्रत्यक्ष ब्यान्डग्याप, तर्क सर्किटहरूको लागि उपयुक्त तर प्रकाश उत्सर्जन गर्न असमर्थ)।
Ⅱ,सिलिकनका फाइदाहरू:
प्राकृतिक रूपमा उच्च-गुणस्तरको अक्साइड (SiO₂) बनाउँछ, जसले MOSFET निर्माणलाई सक्षम बनाउँछ।
कम लागत र माटो प्रशस्त मात्रामा (कस्टल संरचनाको ~२८%)।
Ⅲ,सीमाहरू:
कम इलेक्ट्रोन गतिशीलता (केवल १५०० cm²/(V·s)), उच्च-फ्रिक्वेन्सी कार्यसम्पादनलाई सीमित गर्दै।
कमजोर भोल्टेज/तापमान सहनशीलता (अधिकतम सञ्चालन तापक्रम ~१५०°C)।
प्रमुख अनुप्रयोगहरू
Ⅰ,एकीकृत सर्किट (ICs):
CPU हरू, मेमोरी चिप्स (जस्तै, DRAM, NAND) उच्च एकीकरण घनत्वको लागि सिलिकनमा निर्भर हुन्छन्।
उदाहरण: पहिलो व्यावसायिक माइक्रोप्रोसेसर, इन्टेलको ४००४ (१९७१) ले १०μm सिलिकन प्रविधि प्रयोग गर्यो।
Ⅱ,पावर उपकरणहरू:
प्रारम्भिक थाइरिस्टरहरू र कम-भोल्टेज MOSFETs (जस्तै, PC पावर आपूर्तिहरू) सिलिकनमा आधारित थिए।
चुनौती र अप्रचलितता
चुहावट र थर्मल अस्थिरताको कारणले गर्दा जर्मेनियमलाई चरणबद्ध रूपमा हटाइएको थियो। यद्यपि, अप्टोइलेक्ट्रोनिक्स र उच्च-शक्ति अनुप्रयोगहरूमा सिलिकनको सीमितताले अर्को पुस्ताको अर्धचालकहरूको विकासलाई प्रोत्साहित गर्यो।
२ दोस्रो पुस्ताका अर्धचालकहरू: ग्यालियम आर्सेनाइड (GaAs) र इन्डियम फस्फाइड (InP)
विकास पृष्ठभूमि
१९७०-१९८० को दशकमा, मोबाइल सञ्चार, अप्टिकल फाइबर नेटवर्क र उपग्रह प्रविधि जस्ता उदीयमान क्षेत्रहरूले उच्च-फ्रिक्वेन्सी र कुशल अप्टोइलेक्ट्रोनिक सामग्रीहरूको लागि एक दबाबपूर्ण माग सिर्जना गरे। यसले GaAs र InP जस्ता प्रत्यक्ष ब्यान्डग्याप अर्धचालकहरूको प्रगतिलाई प्रेरित गर्यो।
भौतिक गुणहरू
ब्यान्डग्याप र अप्टोइलेक्ट्रोनिक प्रदर्शन:
GaAs: १.४२eV (प्रत्यक्ष ब्यान्डग्याप, प्रकाश उत्सर्जन सक्षम बनाउँछ—लेजर/LED को लागि आदर्श)।
InP: १.३४eV (लामो तरंगदैर्ध्य अनुप्रयोगहरूको लागि राम्रो उपयुक्त, जस्तै, १५५०nm फाइबर-अप्टिक संचार)।
इलेक्ट्रोन गतिशीलता:
GaAs ले ८५०० cm²/(V·s) प्राप्त गर्छ, जुन सिलिकन (१५०० cm²/(V·s)) भन्दा धेरै माथि छ, जसले यसलाई GHz-दायरा सिग्नल प्रशोधनको लागि इष्टतम बनाउँछ।
बेफाइदाहरू
मभंगुर सब्सट्रेटहरू: सिलिकन भन्दा उत्पादन गर्न गाह्रो; GaAs वेफरहरूको मूल्य १०× बढी हुन्छ।
मकुनै नेटिभ अक्साइड छैन: सिलिकनको SiO₂ भन्दा फरक, GaAs/InP मा स्थिर अक्साइडको अभाव हुन्छ, जसले गर्दा उच्च-घनत्व IC निर्माणमा बाधा पुग्छ।
प्रमुख अनुप्रयोगहरू
मआरएफ फ्रन्ट-एन्डहरू:
मोबाइल पावर एम्पलीफायर (PAs), स्याटेलाइट ट्रान्सीभरहरू (जस्तै, GaAs-आधारित HEMT ट्रान्जिस्टरहरू)।
मअप्टोइलेक्ट्रोनिक्स:
लेजर डायोडहरू (CD/DVD ड्राइभहरू), LEDs (रातो/इन्फ्रारेड), फाइबर-अप्टिक मोड्युलहरू (InP लेजरहरू)।
मअन्तरिक्ष सौर्य कोषहरू:
GaAs कोषहरूले ३०% दक्षता हासिल गर्छन् (सिलिकनको लागि ~२०% बनाम), उपग्रहहरूको लागि महत्त्वपूर्ण।
मप्राविधिक कठिनाइहरू
उच्च लागतले GaAs/InP लाई विशिष्ट उच्च-अन्त अनुप्रयोगहरूमा सीमित गर्दछ, जसले गर्दा तिनीहरूलाई तर्क चिप्समा सिलिकनको प्रभुत्वलाई विस्थापित गर्नबाट रोक्छ।
तेस्रो-पुस्ता अर्धचालकहरू (वाइड-ब्यान्डग्याप अर्धचालकहरू): सिलिकन कार्बाइड (SiC) र ग्यालियम नाइट्राइड (GaN)
प्रविधि चालकहरू
ऊर्जा क्रान्ति: विद्युतीय सवारी साधन र नवीकरणीय ऊर्जा ग्रिड एकीकरणले अझ कुशल ऊर्जा उपकरणहरूको माग गर्दछ।
उच्च-फ्रिक्वेन्सी आवश्यकताहरू: 5G सञ्चार र राडार प्रणालीहरूलाई उच्च फ्रिक्वेन्सी र पावर घनत्व चाहिन्छ।
चरम वातावरण: एयरोस्पेस र औद्योगिक मोटर अनुप्रयोगहरूलाई २०० डिग्री सेल्सियसभन्दा बढी तापक्रम सहन सक्ने सामग्रीहरू चाहिन्छ।
सामग्री विशेषताहरू
फराकिलो ब्यान्डग्यापका फाइदाहरू:
मSiC: ३.२६eV को ब्यान्डग्याप, सिलिकनको ब्रेकडाउन विद्युतीय क्षेत्र शक्ति १०×, १०kV भन्दा बढी भोल्टेजहरू सहन सक्षम।
मGaN: ३.४eV को ब्यान्डग्याप, २२०० cm²/(V·s) को इलेक्ट्रोन गतिशीलता, उच्च-फ्रिक्वेन्सी प्रदर्शनमा उत्कृष्ट।
थर्मल व्यवस्थापन:
SiC को थर्मल चालकता ४.९ W/(cm·K) पुग्छ, जुन सिलिकन भन्दा तीन गुणा राम्रो छ, जसले यसलाई उच्च-शक्ति अनुप्रयोगहरूको लागि आदर्श बनाउँछ।
भौतिक चुनौतीहरू
SiC: ढिलो एकल-क्रिस्टल वृद्धिको लागि २०००°C भन्दा माथिको तापक्रम चाहिन्छ, जसले गर्दा वेफर दोषहरू र उच्च लागत हुन्छ (६-इन्चको SiC वेफर सिलिकन भन्दा २०× महँगो हुन्छ)।
GaN: प्राकृतिक सब्सट्रेटको अभाव हुन्छ, जसलाई प्रायः नीलमणि, SiC, वा सिलिकन सब्सट्रेटहरूमा हेटेरोएपिटेक्सी आवश्यक पर्दछ, जसले गर्दा जाली बेमेल समस्याहरू निम्त्याउँछ।
प्रमुख अनुप्रयोगहरू
पावर इलेक्ट्रोनिक्स:
EV इन्भर्टरहरू (जस्तै, टेस्ला मोडेल ३ ले SiC MOSFET प्रयोग गर्दछ, जसले गर्दा दक्षता ५-१०% ले सुधार हुन्छ)।
द्रुत-चार्जिङ स्टेशनहरू/एडाप्टरहरू (GaN उपकरणहरूले १००W+ द्रुत चार्जिङ सक्षम पार्छन् र आकार ५०% ले घटाउँछन्)।
आरएफ उपकरणहरू:
५जी बेस स्टेशन पावर एम्पलीफायरहरू (GaN-on-SiC PAs ले mmWave फ्रिक्वेन्सीहरूलाई समर्थन गर्दछ)।
सैन्य राडार (GaN ले GaAs को ५× पावर घनत्व प्रदान गर्दछ)।
अप्टोइलेक्ट्रोनिक्स:
UV LEDs (निर्जंतुकीकरण र पानीको गुणस्तर पत्ता लगाउन प्रयोग हुने AlGaN सामग्रीहरू)।
उद्योग स्थिति र भविष्यको दृष्टिकोण
उच्च-शक्ति बजारमा SiC को प्रभुत्व छ, अटोमोटिभ-ग्रेड मोड्युलहरू पहिले नै ठूलो मात्रामा उत्पादनमा छन्, यद्यपि लागत एक बाधा बनेको छ।
GaN उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स (छिटो चार्जिङ) र RF अनुप्रयोगहरूमा द्रुत गतिमा विस्तार हुँदैछ, ८-इन्च वेफरहरू तर्फ संक्रमण गर्दै।
ग्यालियम अक्साइड (Ga₂O₃, ब्यान्डग्याप ४.८eV) र हीरा (५.५eV) जस्ता उदीयमान सामग्रीहरूले अर्धचालकहरूको "चौथो पुस्ता" बनाउन सक्छन्, जसले भोल्टेज सीमा २०kV भन्दा बाहिर धकेल्छ।
अर्धचालक पुस्ताको सहअस्तित्व र तालमेल
पूरकता, प्रतिस्थापन होइन:
तर्क चिप्स र उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स (विश्वव्यापी अर्धचालक बजारको ९५%) मा सिलिकन प्रबल रहन्छ।
GaAs र InP उच्च-फ्रिक्वेन्सी र अप्टोइलेक्ट्रोनिक निचहरूमा विशेषज्ञ छन्।
ऊर्जा र औद्योगिक अनुप्रयोगहरूमा SiC/GaN अपरिहार्य छन्।
प्रविधि एकीकरणका उदाहरणहरू:
GaN-on-Si: छिटो चार्जिङ र RF अनुप्रयोगहरूको लागि कम लागतको सिलिकन सब्सट्रेटहरूसँग GaN संयोजन गर्दछ।
SiC-IGBT हाइब्रिड मोड्युलहरू: ग्रिड रूपान्तरण दक्षता सुधार गर्नुहोस्।
भविष्यका प्रवृत्तिहरू:
विषम एकीकरण: कार्यसम्पादन र लागत सन्तुलन गर्न एउटै चिपमा सामग्रीहरू (जस्तै, Si + GaN) संयोजन गर्ने।
अल्ट्रा-वाइड ब्यान्डग्याप सामग्रीहरू (जस्तै, Ga₂O₃, हीरा) ले अल्ट्रा-हाई-भोल्टेज (>२०kV) र क्वान्टम कम्प्युटिङ अनुप्रयोगहरू सक्षम पार्न सक्छ।
सम्बन्धित उत्पादन
GaAs लेजर एपिटेक्सियल वेफर ४ इन्च ६ इन्च
१२ इन्च SIC सब्सट्रेट सिलिकन कार्बाइड प्राइम ग्रेड व्यास ३०० मिमी ठूलो आकार ४H-N उच्च शक्ति उपकरण ताप अपव्ययको लागि उपयुक्त
पोस्ट समय: मे-०७-२०२५