सिलिकॉन, सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड

आम तौर पर उपयोग किए जाने वाले डिजिटल उत्पादों और उच्च तकनीक वाले इलेक्ट्रिक वाहनों, 5जी बेस स्टेशन के पीछे, 3 मुख्य अर्धचालक सामग्रियां हैं: सिलिकॉन, सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड जो उद्योग को चला रहे हैं। वे एक-दूसरे के लिए वैकल्पिक नहीं हैं, वे एक टीम में विशेषज्ञ हैं, और विभिन्न युद्धक्षेत्रों में अपूरणीय प्रयास करते हैं। उनके श्रम विभाजन को समझकर हम आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के विकास वृक्ष को देख सकते हैं।

1.सिलिकॉन: एकीकृत परिपथ का आधार शिला

सिलिकॉन निस्संदेह सेमीकंडक्टर का राजा है, अत्यधिक एकीकृत और जटिल कंप्यूटिंग के सभी क्षेत्रों पर राज करता है। कंप्यूटर सीपीयू, मोबाइल एसओसी, ग्राफिक्स प्रोसेसर, मेमोरी, फ्लैश मेमोरी और विभिन्न माइक्रोकंट्रोलर और डिजिटल लॉजिक चिप्स, लगभग सभी सिलिकॉन बेस पर बनाए गए हैं।

इस क्षेत्र में सिलिकॉन का दबदबा क्यों है?

1)उत्कृष्ट एकीकृत डिग्री

सिलिकॉन में महान भौतिक गुण हैं, इसे थर्मल ऑक्सीकरण प्रक्रिया के माध्यम से सतह पर एक आदर्श SiO2 इन्सुलेटिंग फिल्म विकसित की जा सकती है। यह संपत्ति अत्यधिक जटिल लॉजिस्टिक कार्यों को प्राप्त करने के लिए, चिप के एक छोटे टुकड़े पर अरबों यहां तक ​​कि दस अरब ट्रांजिस्टर को एकीकृत करके सीएमओएस ट्रांजिस्टर बनाने का आधार है।

2)परिपक्व प्रक्रिया और कम लागत

आधी सदी से भी अधिक विकास के दौरान, सिलिकॉन की प्रक्रिया संपूर्ण मानव औद्योगिक सभ्यता का परिणाम है। शुद्धिकरण, क्रिस्टल खींचने से लेकर फोटोलिथोग्राफी, नक़्क़ाशी तक, यह आश्चर्यजनक पैमाने और बेहद कम लागत के साथ उच्च गुणवत्ता वाले क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए एक परिपक्व और विशाल उद्योग श्रृंखला बना रहा है।

3)अच्छा संतुलन

सिलिकॉन चालकता, स्विचिंग गति, विनिर्माण लागत और थर्मल प्रदर्शन के बीच सर्वोत्तम संतुलन प्राप्त करता है। हालांकि चरम प्रदर्शन में यह अपने अपस्टार्ट सामग्री के प्रदर्शन से मेल नहीं खा सकता है, यह जटिल डिजिटल सिग्नल और तर्क संचालन को संभालने के लिए पूरी तरह से पर्याप्त और सबसे किफायती विकल्प है।

2.2)परिपक्व प्रक्रिया और कम लागत: हाई-वोल्ट युद्धक्षेत्र पर पावर गार्जियन

SiC उच्च-वोल्ट, उच्च-शक्ति क्षेत्र में क्रांति सामग्री है। इसका उपयोग मुख्य रूप से बिजली रूपांतरण और नियंत्रण के लिए "पावर उपकरणों" में किया जाता है। जैसे नई ऊर्जा वाहनों में मुख्य ड्राइव इन्वर्टर, ऑन-बोर्ड चार्जर, डीसी-डीसी कनवर्टर; स्मार्ट ग्रिड कनवर्टर स्टेशन, औद्योगिक मोटर ड्राइव, और उद्योग और पावर ग्रिड में रेल पारगमन; नई ऊर्जा बिजली उत्पादन उद्योग में फोटोवोल्टिक इनवर्टर और पवन ऊर्जा कन्वर्टर्स।

उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों के लिए SiC उपयुक्त क्यों है?

1)अत्यंत उच्च ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र की ताकत

SiC की ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र की ताकत सिलिकॉन की तुलना में 10 गुना अधिक है। इसका मतलब है कि समान वोल्टेज झेलने वाले उपकरण का निर्माण करना, डिवाइस के ऑन-प्रतिरोध को कम करने के लिए SiC की एपिटैक्सियल परत पतली हो सकती है, डोपिंग एकाग्रता अधिक हो सकती है। जब प्रतिरोध कम हो जाता है, तो संचालन के दौरान ऊर्जा हानि और गर्मी उत्पादन को काफी कम किया जा सकता है।

2) अच्छी तापीय चालकता

SiC की तापीय चालकता सिलिकॉन की 3 गुना है। उच्च शक्ति अनुप्रयोग में, हीटिंग "शीर्ष हत्यारा" है। उच्च शक्ति घनत्व के तहत सिस्टम के स्थिर काम की अनुमति देने या गर्मी अपव्यय प्रणाली को सरल बनाने के लिए SiC डिवाइस हीटिंग को अधिक तेजी से आउटलेट कर सकता है।

3) उच्च तापमान कार्य क्षमता

सिलिकॉन डिवाइस का कार्य तापमान आमतौर पर 175°C से नीचे होता है, जबकि SiC डिवाइस 200°C से ऊपर पर स्थिर रूप से कार्य कर सकता है। यह इसे उच्च तापमान और कठोर वातावरण में अधिक विश्वसनीय बनाता है, जैसे कि कार इंजन के नजदीक स्थित इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम।

3.गैलियम नाइट्राइड: उच्च-आवृत्ति ट्रैक पर गति अग्रणी

GaN का मुख्य लाभ उच्च आवृत्ति पर है। यह दो क्षेत्रों में चमकता है:

उच्च-आवृत्ति पावर इलेक्ट्रॉनिक्स (फास्ट चार्जिंग): वर्तमान में सबसे व्यापक अनुप्रयोग, जो हमें कॉम्पैक्ट और अत्यधिक कुशल GaN फास्ट चार्जर का उपयोग करने में सक्षम बनाता है।

आरएफ फ्रंट-एंड: रक्षा उद्योग में 5जी संचार बेस स्टेशनों और रडार सिस्टम में पावर एम्पलीफायर।

GaN उच्च-आवृत्ति प्रदर्शन का राजा क्यों है?

1) अत्यधिक उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति बहाव वेग: GaN सामग्रियों में इलेक्ट्रॉन बहुत तेजी से चलते हैं, जिसका अर्थ है कि ट्रांजिस्टर अत्यधिक उच्च स्विचिंग गति प्राप्त कर सकते हैं। बिजली की आपूर्ति को स्विच करने के लिए, उच्च स्विचिंग आवृत्तियों से छोटे और हल्के कैपेसिटर और इंडक्टर्स के उपयोग की अनुमति मिलती है, जिससे चार्जर का लघुकरण संभव हो जाता है।

2) उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (HEMT): जैसा कि पिछले लेख में बताया गया है, GaN-AlGaN हेटेरोजंक्शन इंटरफ़ेस अत्यधिक उच्च इलेक्ट्रॉन एकाग्रता और गतिशीलता के साथ स्वचालित रूप से एक द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG) बना सकता है, जिसके परिणामस्वरूप बेहद कम प्रतिरोध होता है। यह GaN उपकरणों को उच्च गति स्विचिंग के दौरान कम चालन हानि और कम स्विचिंग हानि के दोहरे लाभ देता है।

3) व्यापक बैंडगैप: सिलिकॉन कार्बाइड के समान, GaN में भी एक विस्तृत बैंडगैप होता है, जो इसे उच्च तापमान और उच्च वोल्टेज के प्रति प्रतिरोधी बनाता है, और सिलिकॉन की तुलना में अधिक मजबूत होता है।