अर्धचालक पदार्थ तीन परिवर्तनकारी पीढ़ियों के माध्यम से विकसित हुए हैं:
प्रथम पीढ़ी (Si/Ge) ने आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की नींव रखी,
द्वितीय पीढ़ी (GaAs/InP) ने ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक और उच्च आवृत्ति बाधाओं को तोड़कर सूचना क्रांति को शक्ति प्रदान की,
तीसरी पीढ़ी (SiC/GaN) अब ऊर्जा और चरम-पर्यावरण चुनौतियों से निपटती है, जिससे कार्बन तटस्थता और 6G युग सक्षम होता है।
यह प्रगति भौतिक विज्ञान में बहुमुखी प्रतिभा से विशेषज्ञता की ओर एक प्रतिमान बदलाव को दर्शाती है।
1. प्रथम पीढ़ी के अर्धचालक: सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge)
ऐतिहासिक पृष्ठभूमि
1947 में, बेल लैब्स ने जर्मेनियम ट्रांजिस्टर का आविष्कार किया, जिसने सेमीकंडक्टर युग की शुरुआत की। 1950 के दशक तक, सिलिकॉन ने अपनी स्थिर ऑक्साइड परत (SiO₂) और प्रचुर प्राकृतिक भंडार के कारण एकीकृत सर्किट (IC) की नींव के रूप में धीरे-धीरे जर्मेनियम की जगह ले ली।
सामग्री गुण
Ⅰऊर्जा अंतराल:
जर्मेनियम: 0.67eV (संकीर्ण बैंडगैप, रिसाव धारा से ग्रस्त, खराब उच्च तापमान प्रदर्शन)।
सिलिकॉन: 1.12eV (अप्रत्यक्ष बैंडगैप, लॉजिक सर्किट के लिए उपयुक्त लेकिन प्रकाश उत्सर्जन में असमर्थ)।
Ⅱ、सिलिकॉन के लाभ:
स्वाभाविक रूप से उच्च गुणवत्ता वाला ऑक्साइड (SiO₂) बनाता है, जिससे MOSFET निर्माण संभव होता है।
कम लागत और पृथ्वी-प्रचुर (~ क्रस्टल संरचना का 28%)।
Ⅲ、सीमाएँ:
कम इलेक्ट्रॉन गतिशीलता (केवल 1500 cm²/(V·s)), उच्च आवृत्ति प्रदर्शन को प्रतिबंधित करती है।
कमज़ोर वोल्टेज/तापमान सहनशीलता (अधिकतम परिचालन तापमान ~150°C).
प्रमुख अनुप्रयोग
1、एकीकृत सर्किट (आईसी):
सीपीयू, मेमोरी चिप्स (जैसे, DRAM, NAND) उच्च एकीकरण घनत्व के लिए सिलिकॉन पर निर्भर करते हैं।
उदाहरण: इंटेल का 4004 (1971), पहला वाणिज्यिक माइक्रोप्रोसेसर, जिसमें 10μm सिलिकॉन प्रौद्योगिकी का उपयोग किया गया था।
Ⅱ、विद्युत उपकरण:
प्रारंभिक थाइरिस्टर और निम्न-वोल्टेज MOSFETs (जैसे, पीसी विद्युत आपूर्ति) सिलिकॉन आधारित थे।
चुनौतियाँ और अप्रचलन
रिसाव और तापीय अस्थिरता के कारण जर्मेनियम को चरणबद्ध तरीके से समाप्त कर दिया गया। हालांकि, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में सिलिकॉन की सीमाओं ने अगली पीढ़ी के अर्धचालकों के विकास को बढ़ावा दिया।
2दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक: गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) और इंडियम फॉस्फाइड (InP)
विकास पृष्ठभूमि
1970-1980 के दशक के दौरान, मोबाइल संचार, ऑप्टिकल फाइबर नेटवर्क और सैटेलाइट तकनीक जैसे उभरते क्षेत्रों ने उच्च-आवृत्ति और कुशल ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों की मांग को बढ़ा दिया। इसने GaAs और InP जैसे प्रत्यक्ष बैंडगैप सेमीकंडक्टर की उन्नति को बढ़ावा दिया।
सामग्री गुण
बैंडगैप और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रदर्शन:
GaAs: 1.42eV (प्रत्यक्ष बैंडगैप, प्रकाश उत्सर्जन को सक्षम बनाता है - लेजर/एलईडी के लिए आदर्श)।
InP: 1.34eV (दीर्घ-तरंगदैर्घ्य अनुप्रयोगों के लिए बेहतर अनुकूल, उदाहरण के लिए, 1550nm फाइबर-ऑप्टिक संचार)।
इलेक्ट्रॉन गतिशीलता:
GaAs 8500 cm²/(V·s) प्राप्त करता है, जो सिलिकॉन (1500 cm²/(V·s)) से कहीं अधिक है, जिससे यह GHz-रेंज सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए इष्टतम हो जाता है।
नुकसान
एलभंगुर सब्सट्रेट: सिलिकॉन की तुलना में निर्माण करना कठिन; GaAs वेफर्स की लागत 10 गुना अधिक है।
एलकोई मूल ऑक्साइड नहीं: सिलिकॉन के SiO₂ के विपरीत, GaAs/InP में स्थिर ऑक्साइड का अभाव होता है, जिससे उच्च घनत्व वाले IC निर्माण में बाधा उत्पन्न होती है।
प्रमुख अनुप्रयोग
एलआरएफ फ्रंट-एंड्स:
मोबाइल पावर एम्पलीफायर (पीए), सैटेलाइट ट्रांसीवर (जैसे, GaAs-आधारित HEMT ट्रांजिस्टर)।
एलऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स:
लेजर डायोड (सीडी/डीवीडी ड्राइव), एलईडी (लाल/इन्फ्रारेड), फाइबर-ऑप्टिक मॉड्यूल (आईएनपी लेजर)।
एलअंतरिक्ष सौर सेल:
GaAs कोशिकाएं 30% दक्षता प्राप्त करती हैं (सिलिकॉन के लिए ~20% के मुकाबले), जो उपग्रहों के लिए महत्वपूर्ण है।
एलतकनीकी अड़चनें
उच्च लागत के कारण GaAs/InP केवल उच्च-स्तरीय अनुप्रयोगों तक ही सीमित रह जाते हैं, जिससे वे लॉजिक चिप्स में सिलिकॉन के प्रभुत्व को विस्थापित नहीं कर पाते।
तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक (वाइड-बैंडगैप अर्धचालक): सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN)
प्रौद्योगिकी चालक
ऊर्जा क्रांति: इलेक्ट्रिक वाहन और नवीकरणीय ऊर्जा ग्रिड एकीकरण के लिए अधिक कुशल विद्युत उपकरणों की आवश्यकता होती है।
उच्च आवृत्ति की आवश्यकताएँ: 5G संचार और रडार प्रणालियों को उच्च आवृत्तियों और शक्ति घनत्व की आवश्यकता होती है।
चरम वातावरण: एयरोस्पेस और औद्योगिक मोटर अनुप्रयोगों के लिए 200°C से अधिक तापमान को सहन करने में सक्षम सामग्रियों की आवश्यकता होती है।
सामग्री विशेषताएँ
विस्तृत बैंडगैप के लाभ:
एलSiC: 3.26eV का बैंडगैप, ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र की ताकत सिलिकॉन की 10 गुना, 10kV से अधिक वोल्टेज को सहन करने में सक्षम।
एलGaN: 3.4eV का बैंडगैप, 2200 cm²/(V·s) की इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, उच्च आवृत्ति प्रदर्शन में उत्कृष्टता।
थर्मल प्रबंधन:
SiC की तापीय चालकता 4.9 W/(cm·K) तक पहुँचती है, जो सिलिकॉन से तीन गुना बेहतर है, जो इसे उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाती है।
भौतिक चुनौतियाँ
SiC: धीमी एकल-क्रिस्टल वृद्धि के लिए 2000°C से अधिक तापमान की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप वेफर में दोष उत्पन्न होते हैं और लागत अधिक होती है (6-इंच SiC वेफर सिलिकॉन की तुलना में 20 गुना अधिक महंगा होता है)।
GaN: इसमें प्राकृतिक सब्सट्रेट का अभाव होता है, जिसके कारण अक्सर नीलमणि, SiC, या सिलिकॉन सब्सट्रेट पर हेटेरोएपिटेक्सी की आवश्यकता होती है, जिसके कारण जाली बेमेल की समस्या उत्पन्न होती है।
प्रमुख अनुप्रयोग
बिजली के इलेक्ट्रॉनिक्स:
ईवी इन्वर्टर (उदाहरण के लिए, टेस्ला मॉडल 3 SiC MOSFETs का उपयोग करता है, जिससे दक्षता में 5-10% तक सुधार होता है)।
फास्ट-चार्जिंग स्टेशन/एडेप्टर (GaN डिवाइस 100W+ फास्ट चार्जिंग सक्षम करते हैं जबकि आकार को 50% तक कम करते हैं)।
आरएफ उपकरण:
5G बेस स्टेशन पावर एम्पलीफायर (GaN-on-SiC PAs mmWave आवृत्तियों का समर्थन करते हैं)।
सैन्य रडार (GaN, GaAs की तुलना में 5 गुना अधिक शक्ति घनत्व प्रदान करता है)।
ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स:
यूवी एल.ई.डी. (एल्गन सामग्री जिसका उपयोग स्टरलाइजेशन और जल गुणवत्ता जांच में किया जाता है)।
उद्योग की स्थिति और भविष्य का दृष्टिकोण
उच्च-शक्ति बाजार में SiC का प्रभुत्व है, तथा ऑटोमोटिव-ग्रेड मॉड्यूलों का बड़े पैमाने पर उत्पादन पहले से ही हो रहा है, हालांकि लागत अभी भी एक बाधा बनी हुई है।
GaN उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स (तेज चार्जिंग) और RF अनुप्रयोगों में तेजी से विस्तार कर रहा है, तथा 8-इंच वेफर्स की ओर बढ़ रहा है।
गैलियम ऑक्साइड (Ga₂O₃, बैंडगैप 4.8eV) और हीरा (5.5eV) जैसी उभरती हुई सामग्रियां अर्धचालकों की “चौथी पीढ़ी” का निर्माण कर सकती हैं, जो वोल्टेज सीमा को 20kV से आगे ले जा सकती हैं।
सेमीकंडक्टर पीढ़ियों का सह-अस्तित्व और तालमेल
पूरकता, प्रतिस्थापन नहीं:
लॉजिक चिप्स और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स (वैश्विक सेमीकंडक्टर बाजार का 95%) में सिलिकॉन का प्रभुत्व बना हुआ है।
GaAs और InP उच्च आवृत्ति और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक क्षेत्रों में विशेषज्ञ हैं।
ऊर्जा और औद्योगिक अनुप्रयोगों में SiC/GaN अपूरणीय हैं।
प्रौद्योगिकी एकीकरण उदाहरण:
GaN-on-Si: तीव्र चार्जिंग और RF अनुप्रयोगों के लिए GaN को कम लागत वाले सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स के साथ संयोजित करता है।
SiC-IGBT हाइब्रिड मॉड्यूल: ग्रिड रूपांतरण दक्षता में सुधार।
भविष्य के रुझान:
विषम एकीकरण: प्रदर्शन और लागत को संतुलित करने के लिए सामग्रियों (जैसे, Si + GaN) को एक ही चिप पर संयोजित करना।
अल्ट्रा-वाइड बैंडगैप सामग्री (जैसे, Ga₂O₃, हीरा) अल्ट्रा-हाई-वोल्टेज (> 20kV) और क्वांटम कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों को सक्षम कर सकती है।
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पोस्ट करने का समय: मई-07-2025