गैलियम नाइट्राइड (GaN) अनुप्रयोगों के फायदे और नुकसान

जैसे-जैसे दुनिया अर्धचालकों में नए अवसरों की तलाश कर रही है,गैलियम नाइट्राइडभविष्य की बिजली और आरएफ अनुप्रयोगों के लिए संभावित उम्मीदवार के रूप में खड़ा होना जारी है। हालाँकि, इसके द्वारा प्रदान किए जाने वाले सभी लाभों के बावजूद, इसे अभी भी एक बड़ी चुनौती का सामना करना पड़ रहा है; कोई पी-प्रकार (पी-प्रकार) उत्पाद नहीं हैं। GaN को अगली प्रमुख अर्धचालक सामग्री के रूप में क्यों जाना जाता है, P-प्रकार GaN उपकरणों की कमी एक बड़ी कमी क्यों है, और भविष्य के डिज़ाइनों के लिए इसका क्या अर्थ है?

इलेक्ट्रॉनिक्स में, पहले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के बाजार में आने के बाद से चार तथ्य कायम हैं: उन्हें जितना संभव हो उतना छोटा होना चाहिए, जितना संभव हो उतना सस्ता होना चाहिए, जितना संभव हो उतना बिजली प्रदान करना चाहिए, और जितना संभव हो उतना कम बिजली की खपत करनी चाहिए। यह ध्यान में रखते हुए कि ये आवश्यकताएं अक्सर एक-दूसरे के विपरीत होती हैं, इन चार आवश्यकताओं को पूरा करने वाला सही इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने की कोशिश करना एक अवास्तविक सपना जैसा है, लेकिन इसने इंजीनियरों को ऐसा करने के लिए हर संभव प्रयास करने से नहीं रोका है।

इन चार मार्गदर्शक सिद्धांतों का उपयोग करके, इंजीनियरों ने विभिन्न प्रकार के असंभव कार्यों को पूरा करने में सफलता हासिल की है, जिसमें कमरे के आकार के उपकरणों से चावल के दाने से भी छोटे चिप्स तक सिकुड़ने वाले कंप्यूटर, वायरलेस संचार और इंटरनेट तक पहुंच की अनुमति देने वाले स्मार्टफोन और आभासी वास्तविकता प्रणाली शामिल हैं। जिसे अब होस्ट कंप्यूटर से स्वतंत्र रूप से पहना और उपयोग किया जा सकता है। हालाँकि, जैसे-जैसे इंजीनियर सिलिकॉन जैसी आमतौर पर उपयोग की जाने वाली सामग्रियों की भौतिक सीमाओं के करीब पहुँच रहे हैं, उपकरणों को छोटा बनाना और कम बिजली का उपयोग करना अब असंभव होता जा रहा है।

परिणामस्वरूप, शोधकर्ता लगातार नई सामग्रियों की खोज कर रहे हैं जो ऐसी सामान्य सामग्रियों को प्रतिस्थापित करने में सक्षम हो सकती हैं और अधिक कुशलता से चलने वाले छोटे उपकरण प्रदान करना जारी रख सकती हैं। गैलियम नाइट्राइड (GaN) एक ऐसी सामग्री है जिसने स्पष्ट कारणों से सिलिकॉन की तुलना में बहुत अधिक ध्यान आकर्षित किया है।

गण मनकी बेहतर दक्षता

सबसे पहले, GaN सिलिकॉन की तुलना में 1,000 गुना अधिक कुशलता से बिजली का संचालन करता है, जिससे यह उच्च धाराओं पर काम कर सकता है। इसका मतलब यह है कि GaN उपकरण अधिक गर्मी पैदा किए बिना काफी अधिक शक्ति पर चल सकते हैं, और इस प्रकार समान दी गई शक्ति के लिए इन्हें छोटा बनाया जा सकता है।

हालाँकि GaN की तापीय चालकता सिलिकॉन की तुलना में थोड़ी कम है, लेकिन इसके तापीय प्रबंधन लाभ उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए नए रास्ते खोलते हैं। यह उन अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जहां स्थान प्रीमियम पर है और शीतलन समाधानों को कम करने की आवश्यकता है, जैसे एयरोस्पेस और ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स, और उच्च तापमान पर प्रदर्शन बनाए रखने के लिए GaN उपकरणों की क्षमता कठोर पर्यावरण अनुप्रयोगों के लिए उनकी क्षमता को उजागर करती है।

दूसरे, GaN (3.4eV बनाम 1.1eV) का बड़ा बैंडगैप ढांकता हुआ टूटने से पहले उच्च वोल्टेज पर उपयोग की अनुमति देता है। परिणामस्वरूप, GaN न केवल अधिक शक्ति प्रदान करने में सक्षम है, बल्कि उच्च दक्षता बनाए रखते हुए उच्च वोल्टेज पर भी ऐसा कर सकता है।

उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता GaN को उच्च आवृत्तियों पर उपयोग करने की भी अनुमति देती है। यह कारक आरएफ पावर अनुप्रयोगों के लिए GaN को महत्वपूर्ण बनाता है जो GHz रेंज (कुछ ऐसा है जिसके साथ सिलिकॉन संघर्ष करता है) से ऊपर संचालित होता है।

हालाँकि, तापीय चालकता के मामले में सिलिकॉन GaN से थोड़ा बेहतर है, जिसका अर्थ है कि GaN उपकरणों में सिलिकॉन उपकरणों की तुलना में अधिक तापीय आवश्यकताएँ होती हैं। परिणामस्वरूप, तापीय चालकता की कमी उच्च शक्ति पर संचालन करते समय GaN उपकरणों को सिकोड़ने की क्षमता को सीमित कर देती है (क्योंकि गर्मी को नष्ट करने के लिए सामग्री के बड़े टुकड़े की आवश्यकता होती है)।

गण मनअकिलिस हील - कोई पी-टाइप नहीं

ऐसे अर्धचालकों का होना बहुत अच्छा है जो उच्च आवृत्तियों पर उच्च शक्ति पर काम कर सकते हैं, लेकिन GaN द्वारा प्रदान किए जाने वाले सभी लाभों के लिए, एक बड़ी खामी है जो कई अनुप्रयोगों में सिलिकॉन को बदलने की इसकी क्षमता को गंभीर रूप से बाधित करती है: पी-प्रकार की कमी।

यकीनन, इन नई खोजी गई सामग्रियों का एक मुख्य उद्देश्य दक्षता में नाटकीय रूप से वृद्धि करना और उच्च शक्ति और वोल्टेज का समर्थन करना है, और इसमें कोई संदेह नहीं है कि वर्तमान GaN ट्रांजिस्टर इसे प्राप्त कर सकते हैं। हालाँकि, जबकि व्यक्तिगत GaN ट्रांजिस्टर कुछ प्रभावशाली गुण प्रदान करते हैं, यह तथ्य कि सभी मौजूदा वाणिज्यिक GaN डिवाइस N-प्रकार के हैं, उनकी अत्यधिक कुशल होने की क्षमता से समझौता करता है।

यह मामला क्यों है, यह समझने के लिए हमें यह देखने की जरूरत है कि एनएमओएस और सीएमओएस तर्क कैसे काम करते हैं। एनएमओएस लॉजिक अपनी सरल विनिर्माण प्रक्रिया और डिजाइन के कारण 1970 और 1980 के दशक में एक बहुत लोकप्रिय तकनीक थी। एन-प्रकार एमओएस ट्रांजिस्टर की बिजली आपूर्ति और नाली के बीच जुड़े एक एकल अवरोधक का उपयोग करके, उस ट्रांजिस्टर का गेट एक गैर-गेट को प्रभावी ढंग से लागू करते हुए, एमओएस ट्रांजिस्टर की नाली पर वोल्टेज को नियंत्रित करने में सक्षम है। जब अन्य NMOS ट्रांजिस्टर के साथ जोड़ा जाता है, तो AND, OR, XOR और लैच सहित सभी लॉजिक घटकों को बनाना संभव होता है।

हालाँकि, हालांकि यह तकनीक सरल है, यह शक्ति प्रदान करने के लिए प्रतिरोधों का उपयोग करती है, जिसका अर्थ है कि एनएमओएस ट्रांजिस्टर चालू होने पर प्रतिरोधों पर बहुत अधिक बिजली बर्बाद होती है। एकल गेट के लिए, यह बिजली हानि न्यूनतम है, लेकिन छोटे 8-बिट सीपीयू पर स्केल करने पर बढ़ सकती है, जो डिवाइस को गर्म कर सकती है और एक चिप पर सक्रिय डिवाइस की संख्या को सीमित कर सकती है।