පළමු පරම්පරාවේ දෙවන පරම්පරාවේ තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍ය

අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍ය පරිවර්තනීය පරම්පරා තුනක් හරහා පරිණාමය වී ඇත:

1 වන පරම්පරාව (Si/Ge) නවීන ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණවල අඩිතාලම දැමීය,

2වන පරම්පරාව (GaAs/InP) තොරතුරු විප්ලවයට බලය ලබා දීම සඳහා දෘශ්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික සහ අධි-සංඛ්‍යාත බාධක බිඳ දැමීය,

3 වන පරම්පරාව (SiC/GaN) දැන් බලශක්ති සහ ආන්තික පාරිසරික අභියෝගවලට මුහුණ දෙන අතර, කාබන් උදාසීනත්වය සහ 6G යුගය සක්‍රීය කරයි.

මෙම ප්‍රගතිය බහුකාර්යතාවයෙන් ද්‍රව්‍ය විද්‍යාවේ විශේෂීකරණය දක්වා වූ සුසමාදර්ශී මාරුවක් හෙළි කරයි.

1. පළමු පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක: සිලිකන් (Si) සහ ජර්මේනියම් (Ge)

ඓතිහාසික පසුබිම

1947 දී, බෙල් ලැබ්ස් විසින් ජර්මනියම් ට්‍රාන්සිස්ටරය සොයා ගන්නා ලද අතර එය අර්ධ සන්නායක යුගයේ උදාව සනිටුහන් කළේය. 1950 ගණන් වන විට, සිලිකන් එහි ස්ථායී ඔක්සයිඩ් ස්ථරය (SiO₂) සහ බහුල ස්වාභාවික සංචිත හේතුවෙන් ඒකාබද්ධ පරිපථ (IC) වල පදනම ලෙස ක්‍රමයෙන් ජර්මනියම් ප්‍රතිස්ථාපනය කළේය.

ද්‍රව්‍යමය ගුණාංග

Ⅰ Ⅰ (අ)බෑන්ඩ්පරේතය:

ජර්මනියම්: 0.67eV (පටු කලාප පරතරය, කාන්දු වන ධාරාවට නැඹුරු වීම, දුර්වල ඉහළ-උෂ්ණත්ව ක්‍රියාකාරිත්වය).

සිලිකන්: 1.12eV (වක්‍ර කලාප පරතරය, තාර්කික පරිපථ සඳහා සුදුසු නමුත් ආලෝක විමෝචනයට නොහැකි).

Ⅱ,සිලිකොන් වල වාසි:

ස්වභාවිකවම උසස් තත්ත්වයේ ඔක්සයිඩ් (SiO₂) සාදයි, එමඟින් MOSFET නිෂ්පාදනය සක්‍රීය කරයි.

අඩු වියදමකින් සහ පසෙන් බහුල (කබොල සංයුතියෙන් ~28%).

Ⅲ、,සීමාවන්:

අඩු ඉලෙක්ට්‍රෝන සංචලනය (1500 cm²/(V·s) පමණි), ඉහළ සංඛ්‍යාත ක්‍රියාකාරිත්වය සීමා කරයි.

දුර්වල වෝල්ටීයතාව/උෂ්ණත්ව ඉවසීම (උපරිම මෙහෙයුම් උෂ්ණත්වය ~150°C).

ප්‍රධාන යෙදුම්

Ⅰ、,ඒකාබද්ධ පරිපථ (IC):

CPU, මතක චිප (උදා: DRAM, NAND) ඉහළ ඒකාබද්ධතා ඝනත්වය සඳහා සිලිකන් මත රඳා පවතී.

උදාහරණය: පළමු වාණිජ ක්ෂුද්‍ර සකසනය වන Intel හි 4004 (1971), 10μm සිලිකන් තාක්ෂණය භාවිතා කළේය.

Ⅱ,බල උපාංග:

මුල් කාලීන තයිරිස්ටර සහ අඩු වෝල්ටීයතා MOSFET (උදා: PC බල සැපයුම්) සිලිකන් මත පදනම් විය.

අභියෝග සහ යල් පැන යාම

කාන්දු වීම සහ තාප අස්ථායිතාව හේතුවෙන් ජර්මනියම් ක්‍රමයෙන් ඉවත් කරන ලදී. කෙසේ වෙතත්, දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාවේ සහ අධි බලැති යෙදුම්වල සිලිකන් වල සීමාවන් ඊළඟ පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක සංවර්ධනයට හේතු විය.

2 දෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක: ගැලියම් ආසනිඩ් (GaAs) සහ ඉන්ඩියම් පොස්ෆයිඩ් (InP)

සංවර්ධන පසුබිම

1970-1980 ගණන් වලදී, ජංගම සන්නිවේදන, දෘශ්‍ය තන්තු ජාල සහ චන්ද්‍රිකා තාක්ෂණය වැනි නැගී එන ක්ෂේත්‍ර අධි-සංඛ්‍යාත සහ කාර්යක්ෂම දෘශ්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික ද්‍රව්‍ය සඳහා දැඩි ඉල්ලුමක් ඇති කළේය. මෙය GaAs සහ InP වැනි සෘජු කලාප පරතරය අර්ධ සන්නායකවල දියුණුවට හේතු විය.

ද්‍රව්‍යමය ගුණාංග

බෑන්ඩ්ගැප් සහ ඔප්ටෝඉලෙක්ට්‍රොනික කාර්ය සාධනය:

GaAs: 1.42eV (සෘජු කලාප පරතරය, ආලෝක විමෝචනය සක්‍රීය කරයි - ලේසර්/LED සඳහා වඩාත් සුදුසුය).

InP: 1.34eV (දිගු තරංග ආයාම යෙදුම් සඳහා වඩාත් සුදුසුය, උදා: 1550nm ෆයිබර්-ඔප්ටික් සන්නිවේදනය).

ඉලෙක්ට්‍රෝන සංචලනය:

GaAs 8500 cm²/(V·s) ලබා ගන්නා අතර එය සිලිකන් (1500 cm²/(V·s)) ඉක්මවා යන අතර එය GHz-පරාස සංඥා සැකසුම් සඳහා ප්‍රශස්ත කරයි.

අවාසි

එල්බිඳෙන සුළු උපස්ථර: සිලිකන් වලට වඩා නිෂ්පාදනය කිරීමට අපහසුය; GaAs වේෆර් වල මිල 10× කින් වැඩිය.

එල්දේශීය ඔක්සයිඩ් නොමැත: සිලිකන් වල SiO₂ මෙන් නොව, GaAs/InP වල ස්ථායී ඔක්සයිඩ නොමැති අතර, එය ඉහළ ඝනත්ව IC නිෂ්පාදනයට බාධා කරයි.

ප්‍රධාන යෙදුම්

එල්RF ඉදිරිපස කෙළවර:

ජංගම බල ඇම්ප්ලිෆයර් (PAs), චන්ද්‍රිකා සම්ප්‍රේෂක (උදා: GaAs-පාදක HEMT ට්‍රාන්සිස්ටර).

එල්දෘෂ්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාව:

ලේසර් ඩයෝඩ (CD/DVD ධාවක), LED (රතු/අධෝරක්ත), ෆයිබර්-ඔප්ටික් මොඩියුල (InP ලේසර්).

එල්අභ්‍යවකාශ සූර්ය කෝෂ:

GaAs සෛල 30% ක කාර්යක්ෂමතාවයක් ලබා ගනී (සිලිකන් සඳහා ~20% ට සාපේක්ෂව), එය චන්ද්‍රිකා සඳහා ඉතා වැදගත් වේ. 

එල්තාක්ෂණික බාධක

ඉහළ පිරිවැය GaAs/InP ඉහළ මට්ටමේ යෙදුම් සඳහා සීමා කරයි, එමඟින් තාර්කික චිපවල සිලිකන් ආධිපත්‍යය විස්ථාපනය කිරීමෙන් වළක්වයි.

තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක (පුළුල් කලාප පරතරය අර්ධ සන්නායක): සිලිකන් කාබයිඩ් (SiC) සහ ගැලියම් නයිට්‍රයිඩ් (GaN)

තාක්ෂණ ධාවක

බලශක්ති විප්ලවය: විදුලි වාහන සහ පුනර්ජනනීය බලශක්ති ජාල ඒකාබද්ධ කිරීම වඩාත් කාර්යක්ෂම බලශක්ති උපාංග ඉල්ලා සිටී.

අධි-සංඛ්‍යාත අවශ්‍යතා: 5G සන්නිවේදන සහ රේඩාර් පද්ධති සඳහා ඉහළ සංඛ්‍යාත සහ බල ඝනත්වය අවශ්‍ය වේ.

ආන්තික පරිසරයන්: අභ්‍යවකාශ සහ කාර්මික මෝටර් යෙදුම් සඳහා 200°C ඉක්මවන උෂ්ණත්වයන්ට ඔරොත්තු දිය හැකි ද්‍රව්‍ය අවශ්‍ය වේ.

ද්‍රව්‍ය ලක්ෂණ

පුළුල් බෑන්ඩ්ගැප් වාසි:

එල්SiC: කලාප පරතරය 3.26eV, බිඳවැටීමේ විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍ර ශක්තිය සිලිකන් වලට වඩා 10×, 10kV ට වැඩි වෝල්ටීයතාවයන්ට ඔරොත්තු දීමේ හැකියාව ඇත.

එල්GaN: කලාප පරතරය 3.4eV, ඉලෙක්ට්‍රෝන සංචලතාව 2200 cm²/(V·s), ඉහළ සංඛ්‍යාත ක්‍රියාකාරිත්වයෙන් විශිෂ්ටයි.

තාප කළමනාකරණය:

SiC හි තාප සන්නායකතාවය 4.9 W/(cm·K) දක්වා ළඟා වන අතර එය සිලිකන් වලට වඩා තුන් ගුණයකින් හොඳ බැවින් එය අධි බලැති යෙදුම් සඳහා වඩාත් සුදුසු වේ.

ද්‍රව්‍යමය අභියෝග

SiC: මන්දගාමී තනි-ස්ඵටික වර්ධනයට 2000°C ට වැඩි උෂ්ණත්වයක් අවශ්‍ය වන අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස වේෆර් දෝෂ සහ ඉහළ පිරිවැයක් ඇති වේ (අඟල් 6 SiC වේෆරයක් සිලිකන් වලට වඩා 20× මිල අධිකය).

GaN: ස්වභාවික උපස්ථරයක් නොමැතිකම, බොහෝ විට නිල් මැණික්, SiC හෝ සිලිකන් උපස්ථර මත විෂම එපිටැක්සි අවශ්‍ය වන අතර, දැලිස් නොගැලපීම් ගැටළු ඇති කරයි.

ප්‍රධාන යෙදුම්

බල ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ:

EV ඉන්වර්ටර් (උදා: ටෙස්ලා මොඩල් 3 SiC MOSFET භාවිතා කරයි, කාර්යක්ෂමතාව 5–10% කින් වැඩි දියුණු කරයි).

වේගවත් ආරෝපණ මධ්‍යස්ථාන/ඇඩප්ටර (GaN උපාංග 100W+ වේගවත් ආරෝපණය සක්‍රීය කරන අතර ප්‍රමාණය 50% කින් අඩු කරයි).

RF උපාංග:

5G මූලික ස්ථාන බල ඇම්ප්ලිෆයර් (GaN-on-SiC PAs mmWave සංඛ්‍යාත සඳහා සහය දක්වයි).

මිලිටරි රේඩාර් (GaN මඟින් GaAs වල බල ඝනත්වය 5× ක් ලබා දෙයි).

දෘෂ්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාව:

UV LED (විෂබීජහරණය සහ ජල තත්ත්ව හඳුනාගැනීම සඳහා භාවිතා කරන AlGaN ද්‍රව්‍ය).

කර්මාන්ත තත්ත්වය සහ අනාගත දැක්ම

SiC අධි බලැති වෙළඳපොළේ ආධිපත්‍යය දරන අතර, මෝටර් රථ ශ්‍රේණියේ මොඩියුල දැනටමත් මහා පරිමාණ නිෂ්පාදනයේ පවතී, නමුත් පිරිවැය බාධකයක් ලෙස පවතී.

පාරිභෝගික ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ (වේගවත් ආරෝපණය) සහ RF යෙදුම්වල GaN වේගයෙන් ව්‍යාප්ත වෙමින්, අඟල් 8 වේෆර් දෙසට සංක්‍රමණය වෙමින් පවතී.

ගැලියම් ඔක්සයිඩ් (Ga₂O₃, බෑන්ඩ්ගැප් 4.8eV) සහ දියමන්ති (5.5eV) වැනි නැගී එන ද්‍රව්‍ය "සිව්වන පරම්පරාවේ" අර්ධ සන්නායක සෑදිය හැකි අතර, වෝල්ටීයතා සීමාවන් 20kV ඉක්මවා තල්ලු කරයි.

අර්ධ සන්නායක පරම්පරා වල සහජීවනය සහ සහජීවනය

අනුපූරකත්වය, ප්‍රතිස්ථාපනය නොවේ:

තාර්කික චිප්ස් සහ පාරිභෝගික ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණවල (ගෝලීය අර්ධ සන්නායක වෙළඳපොළෙන් 95%) සිලිකන් ප්‍රමුඛව පවතී.

GaAs සහ InP අධි-සංඛ්‍යාත සහ දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්‍රොනික නිකේතන සඳහා විශේෂිත වේ.

බලශක්ති සහ කාර්මික යෙදීම්වල SiC/GaN ප්‍රතිස්ථාපනය කළ නොහැකි ය.

තාක්ෂණ ඒකාබද්ධ කිරීම උදාහරණ:

GaN-on-Si: වේගවත් ආරෝපණය සහ RF යෙදුම් සඳහා අඩු වියදම් සිලිකන් උපස්ථර සමඟ GaN ඒකාබද්ධ කරයි.

SiC-IGBT දෙමුහුන් මොඩියුල: ජාලක පරිවර්තන කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කිරීම.

අනාගත ප්‍රවණතා:

විෂමජාතීය ඒකාබද්ධ කිරීම: කාර්ය සාධනය සහ පිරිවැය සමතුලිත කිරීම සඳහා තනි චිපයක් මත ද්‍රව්‍ය (උදා: Si + GaN) ඒකාබද්ධ කිරීම.

අතිශය පුළුල් කලාප පරතරය ද්‍රව්‍ය (උදා: Ga₂O₃, දියමන්ති) අතිශය අධි වෝල්ටීයතා (> 20kV) සහ ක්වොන්ටම් පරිගණක යෙදුම් සක්‍රීය කළ හැකිය.

අදාළ නිෂ්පාදනය

GaAs ලේසර් එපිටැක්සියල් වේෆර් 4 අඟල් 6 අඟල්

අඟල් 12 SIC උපස්ථර සිලිකන් කාබයිඩ් ප්‍රයිම් ශ්‍රේණියේ විෂ්කම්භය 300mm විශාල ප්‍රමාණය 4H-N අධි බල උපාංග තාපය විසුරුවා හැරීම සඳහා සුදුසු වේ