پهرين نسل جو ٻيو نسل جو ٽيون نسل جو سيمي ڪنڊڪٽر مواد

سيمي ڪنڊڪٽر مواد ٽن تبديلي واري نسلن ذريعي ترقي ڪئي آهي:

پهرين نسل (Si/Ge) جديد اليڪٽرانڪس جو بنياد رکيو،

ٻئي نسل (GaAs/InP) معلوماتي انقلاب کي طاقت ڏيڻ لاءِ آپٽو اليڪٽرانڪ ۽ اعليٰ فريڪوئنسي رڪاوٽن کي ٽوڙيو،

ٽئين نسل (SiC/GaN) هاڻي توانائي ۽ انتهائي ماحولياتي چئلينجن کي منهن ڏئي ٿي، ڪاربن غير جانبداري ۽ 6G دور کي فعال بڻائي ٿي.

هي ترقي ورسٽائلٽي کان مادي سائنس ۾ اسپيشلائيزيشن ڏانهن هڪ مثالي تبديلي کي ظاهر ڪري ٿي.

1. پهرين نسل جا سيمي ڪنڊڪٽر: سلڪون (Si) ۽ جرمينيم (Ge)

تاريخي پس منظر

1947 ۾، بيل ليبز جرمينيم ٽرانزسٽر ايجاد ڪيو، جيڪو سيمي ڪنڊڪٽر دور جي شروعات جو نشان هو. 1950 جي ڏهاڪي تائين، سلڪون بتدريج جرمينيم کي انٽيگريٽڊ سرڪٽس (ICs) جي بنياد طور تبديل ڪيو ڇاڪاڻ ته ان جي مستحڪم آڪسائيڊ پرت (SiO₂) ۽ وافر قدرتي ذخيرن جي ڪري.

مادي خاصيتون

Ⅰبينڊ گيپ:

جرمينيم: 0.67eV (تنگ بينڊ گيپ، ليڪيج ڪرنٽ جو شڪار، خراب اعليٰ درجه حرارت جي ڪارڪردگي).

سلڪون: 1.12eV (اڻ سڌي بينڊ گيپ، منطقي سرڪٽ لاءِ مناسب پر روشني جي اخراج جي قابل نه).

Ⅱ،سليڪون جا فائدا:

قدرتي طور تي هڪ اعليٰ معيار جو آڪسائيڊ (SiO₂) ٺاهيندو آهي، جيڪو MOSFET ٺاهڻ جي قابل بڻائيندو آهي.

گھٽ قيمت ۽ مٽيءَ سان ڀرپور (ڪرسٽل جي جوڙجڪ جو ~ 28٪).

Ⅲ،حدون:

گھٽ اليڪٽران جي حرڪت (صرف 1500 cm²/(V·s))، جيڪا اعليٰ فريڪوئنسي ڪارڪردگي کي محدود ڪري ٿي.

ڪمزور وولٽيج/ گرمي پد رواداري (وڌ ۾ وڌ آپريٽنگ گرمي پد ~150°C).

اهم ايپليڪيشنون

Ⅰ،انٽيگريٽيڊ سرڪٽس (ICs):

سي پي يو، ميموري چپس (مثال طور، DRAM، NAND) اعليٰ انٽيگريشن کثافت لاءِ سلڪون تي ڀروسو ڪن ٿا.

مثال: انٽيل جو 4004 (1971)، پهريون ڪمرشل مائڪرو پروسيسر، 10μm سلڪون ٽيڪنالاجي استعمال ڪيو.

Ⅱ،بجلي جا آلات:

شروعاتي ٿائريسٽر ۽ گهٽ وولٽيج وارا MOSFET (مثال طور، پي سي پاور سپلاءِ) سلڪون تي ٻڌل هئا.

چئلينج ۽ متروڪ ٿيڻ

ليڪيج ۽ حرارتي عدم استحڪام جي ڪري جرمينيم کي مرحليوار ختم ڪيو ويو. جڏهن ته، آپٽو اليڪٽرانڪس ۽ هاءِ پاور ايپليڪيشنن ۾ سلڪون جي حدن ايندڙ نسل جي سيمي ڪنڊڪٽرز جي ترقي کي تيز ڪيو.

2 ٻئي نسل جا سيمي ڪنڊڪٽر: گيليم آرسنائيڊ (GaAs) ۽ انڊيم فاسفائيڊ (InP)

ترقي جو پس منظر

1970ع کان 1980ع جي ڏهاڪي دوران، موبائل ڪميونيڪيشن، آپٽيڪل فائبر نيٽ ورڪ، ۽ سيٽلائيٽ ٽيڪنالاجي جهڙن ابھرندڙ شعبن اعليٰ فريڪوئنسي ۽ ڪارآمد آپٽو اليڪٽرانڪ مواد جي سخت گهرج پيدا ڪئي. ان GaAs ۽ InP جهڙن سڌي بينڊ گيپ سيمي ڪنڊڪٽرز جي ترقي کي هٿي ڏني.

مادي خاصيتون

بينڊ گيپ ۽ آپٽو اليڪٽرانڪ ڪارڪردگي:

GaAs: 1.42eV (سڌو بينڊ گيپ، روشني جي اخراج کي فعال بڻائي ٿو - ليزر/ايل اي ڊي لاءِ مثالي).

ان پي: 1.34eV (ڊگھي طول موج جي ايپليڪيشنن لاءِ بهتر موزون، مثال طور، 1550nm فائبر آپٽڪ ڪميونيڪيشن).

اليڪٽران جي حرڪت:

GaAs 8500 cm²/(V·s) حاصل ڪري ٿو، جيڪو سلڪون (1500 cm²/(V·s)) کان گهڻو اڳتي آهي، جيڪو ان کي GHz-رينج سگنل پروسيسنگ لاءِ بهترين بڻائي ٿو.

نقصانات

ايلڀُريل ذيلي ذخيرا: سلڪون کان ٺاهڻ ۾ وڌيڪ ڏکيو؛ GaAs ويفرز جي قيمت 10× وڌيڪ آهي.

ايلڪو به اصلي آڪسائيڊ ناهي: سلڪون جي SiO₂ جي برعڪس، GaAs/InP ۾ مستحڪم آڪسائيڊ نه آهن، جيڪي اعليٰ کثافت واري IC ٺاھڻ کي روڪين ٿا.

اهم ايپليڪيشنون

ايلآر ايف فرنٽ اينڊس:

موبائل پاور ايمپليفائر (PAs)، سيٽلائيٽ ٽرانسيور (مثال طور، GaAs تي ٻڌل HEMT ٽرانزسٽر).

ايلآپٽو اليڪٽرانڪس:

ليزر ڊاءِڊس (سي ڊي/ڊي وي ڊي ڊرائيو)، ايل اي ڊي (ڳاڙهو/انفرارڊ)، فائبر آپٽڪ ماڊلز (ان پي ليزر).

ايلخلائي شمسي سيل:

GaAs سيلز 30٪ ڪارڪردگي حاصل ڪن ٿا (سلڪون لاءِ ~ 20٪)، سيٽلائيٽ لاءِ اهم. 

ايلٽيڪنالاجيڪل رڪاوٽون

وڌيڪ قيمتون GaAs/InP کي خاص اعليٰ درجي جي ايپليڪيشنن تائين محدود ڪن ٿيون، انهن کي لاجڪ چپس ۾ سلڪون جي غلبي کي هٽائڻ کان روڪين ٿيون.

ٽئين نسل جا سيمي ڪنڊڪٽر (وائڊ بينڊ گيپ سيمي ڪنڊڪٽر): سلڪون ڪاربائيڊ (SiC) ۽ گيليم نائٽرائڊ (GaN)

ٽيڪنالاجي ڊرائيور

توانائي انقلاب: بجلي جون گاڏيون ۽ قابل تجديد توانائي گرڊ انضمام وڌيڪ ڪارآمد بجلي ڊوائيسز جي ضرورت آهي.

اعليٰ فريڪوئنسي جون ضرورتون: 5G ڪميونيڪيشن ۽ ريڊار سسٽم کي وڌيڪ فريڪوئنسي ۽ پاور ڊينسٽٽي جي ضرورت آهي.

انتهائي ماحول: ايرو اسپيس ۽ صنعتي موٽر ايپليڪيشنن کي اهڙي مواد جي ضرورت هوندي آهي جيڪو 200 °C کان وڌيڪ گرمي پد برداشت ڪري سگهي.

مواد جون خاصيتون

وسيع بينڊ گيپ جا فائدا:

ايلSiC: بينڊ گيپ 3.26eV، بريڪ ڊائون اليڪٽرڪ فيلڊ جي طاقت سلڪون جي 10×، جيڪا 10kV کان وڌيڪ وولٽيج برداشت ڪرڻ جي قابل آهي.

ايلGaN: 3.4eV جو بينڊ گيپ، 2200 cm²/(V·s) جي اليڪٽران موبليٽي، اعليٰ فريڪوئنسي ڪارڪردگي ۾ شاندار.

حرارتي انتظام:

SiC جي حرارتي چالکائي 4.9 W/(cm·K) تائين پهچي ٿي، جيڪا سلڪون کان ٽي ڀيرا بهتر آهي، جيڪا ان کي اعليٰ طاقت وارن ايپليڪيشنن لاءِ مثالي بڻائي ٿي.

مادي چئلينجز

SiC: سست سنگل ڪرسٽل واڌ لاءِ 2000°C کان مٿي گرمي پد جي ضرورت هوندي آهي، جنهن جي نتيجي ۾ ويفر ۾ خرابيون ۽ وڌيڪ قيمتون پيدا ٿينديون آهن (هڪ 6 انچ وارو SiC ويفر سلڪون کان 20× وڌيڪ مهانگو هوندو آهي).

GaN: قدرتي سبسٽريٽ جي کوٽ آهي، جنهن کي اڪثر نيلم، SiC، يا سلڪون سبسٽريٽ تي هيٽرو ايپيٽڪسي جي ضرورت هوندي آهي، جنهن جي ڪري جالي جي بي ترتيبي جا مسئلا پيدا ٿين ٿا.

اهم ايپليڪيشنون

پاور اليڪٽرانڪس:

اي وي انورٽر (مثال طور، ٽيسلا ماڊل 3 SiC MOSFETs استعمال ڪري ٿو، ڪارڪردگي ۾ 5-10٪ بهتري آڻي ٿو).

تيز چارجنگ اسٽيشنون/اڊاپٽر (GaN ڊوائيسز 100W+ تيز چارجنگ کي فعال ڪن ٿا جڏهن ته سائيز کي 50٪ گهٽائي ٿو).

آر ايف ڊوائيسز:

5G بيس اسٽيشن پاور ايمپليفائر (GaN-on-SiC PAs mmWave فريڪوئنسي کي سپورٽ ڪن ٿا).

فوجي ريڊار (GaN GaAs جي 5× پاور کثافت پيش ڪري ٿو).

آپٽو اليڪٽرانڪس:

UV LEDs (جراثيم ڪشي ۽ پاڻي جي معيار جي ڳولا ۾ استعمال ٿيندڙ AlGaN مواد).

صنعت جي حيثيت ۽ مستقبل جو امڪان

سي آءِ سي هاءِ پاور مارڪيٽ تي حاوي آهي، آٽوميٽو گريڊ ماڊلز اڳ ۾ ئي وڏي پيماني تي پيداوار ۾ آهن، جيتوڻيڪ قيمتون هڪ رڪاوٽ بڻيل آهن.

GaN صارفين جي اليڪٽرانڪس (تيز چارجنگ) ۽ RF ايپليڪيشنن ۾ تيزي سان وڌي رهيو آهي، 8 انچ ويفرز ڏانهن منتقل ٿي رهيو آهي.

گيليم آڪسائيڊ (Ga₂O₃، بينڊ گيپ 4.8eV) ۽ ڊائمنڊ (5.5eV) جهڙا ابھرندڙ مواد سيمي ڪنڊڪٽرز جي "چوٿين نسل" ٺاهي سگهن ٿا، وولٽيج جي حد کي 20kV کان اڳتي وڌائين ٿا.

سيمي ڪنڊڪٽر نسلن جو گڏيل وجود ۽ هم آهنگي

اضافيت، متبادل نه:

لاجڪ چپس ۽ ڪنزيومر اليڪٽرانڪس ۾ سلڪون غالب رهي ٿو (عالمي سيمي ڪنڊڪٽر مارڪيٽ جو 95٪).

GaAs ۽ InP اعليٰ فريڪوئنسي ۽ آپٽو اليڪٽرانڪ نچس ۾ ماهر آهن.

SiC/GaN توانائي ۽ صنعتي ايپليڪيشنن ۾ اڻ مٽ آهن.

ٽيڪنالاجي انضمام جا مثال:

GaN-on-Si: تيز چارجنگ ۽ RF ايپليڪيشنن لاءِ GaN کي گهٽ قيمت واري سلڪون سبسٽريٽ سان گڏ ڪري ٿو.

SiC-IGBT هائبرڊ ماڊلز: گرڊ ڪنورشن جي ڪارڪردگي کي بهتر بڻايو.

مستقبل جا رجحان:

متضاد انضمام: ڪارڪردگي ۽ قيمت کي متوازن ڪرڻ لاءِ هڪ چپ تي مواد (مثال طور، Si + GaN) کي گڏ ڪرڻ.

الٽرا وائڊ بينڊ گيپ مواد (مثال طور، Ga₂O₃، ڊائمنڊ) الٽرا هاءِ وولٽيج (>20kV) ۽ ڪوانٽم ڪمپيوٽنگ ايپليڪيشنن کي فعال ڪري سگھن ٿا.

لاڳاپيل پيداوار

GaAs ليزر ايپيٽيڪسيل ويفر 4 انچ 6 انچ

12 انچ SIC سبسٽريٽ سلڪون ڪاربائيڊ پرائم گريڊ قطر 300 ملي ميٽر وڏو سائيز 4H-N هاءِ پاور ڊيوائس گرمي جي خاتمي لاءِ مناسب