GaN का घातक दोष

जैसे-जैसे दुनिया सेमीकंडक्टर क्षेत्र में नए अवसरों की खोज कर रही है,गैलियम नाइट्राइड (GaN)भविष्य की बिजली और आरएफ अनुप्रयोगों के लिए संभावित उम्मीदवार के रूप में खड़ा होना जारी है। हालाँकि, इसके कई लाभों के बावजूद, GaN को एक महत्वपूर्ण चुनौती का सामना करना पड़ता है: P-प्रकार के उत्पादों की अनुपस्थिति। क्योंगण मनअगली प्रमुख अर्धचालक सामग्री के रूप में प्रतिष्ठित, पी-प्रकार GaN उपकरणों की कमी एक गंभीर खामी क्यों है, और भविष्य के डिजाइनों के लिए इसका क्या मतलब है?

क्योंगण मनअगले प्रमुख सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में स्वागत किया गया?

इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, पहले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के बाजार में आने के बाद से चार तथ्य कायम हैं: उन्हें जितना संभव हो उतना छोटा, जितना संभव हो उतना सस्ता, जितना संभव हो उतना अधिक बिजली प्रदान करने और जितना संभव हो उतना कम बिजली की खपत करने की आवश्यकता है। यह देखते हुए कि ये आवश्यकताएं अक्सर एक-दूसरे के साथ संघर्ष करती हैं, सभी चार आवश्यकताओं को पूरा करने वाला सही इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने का प्रयास एक दिवास्वप्न जैसा लगता है। हालाँकि, इसने इंजीनियरों को इसे हासिल करने का प्रयास करने से नहीं रोका है।

इन चार मार्गदर्शक सिद्धांतों का उपयोग करके, इंजीनियर कई असंभव प्रतीत होने वाले कार्यों को पूरा करने में कामयाब रहे हैं। कंप्यूटर कमरे के आकार की मशीनों से चावल के दाने से भी छोटे चिप्स तक सिकुड़ गए हैं, स्मार्टफ़ोन अब वायरलेस संचार और इंटरनेट एक्सेस सक्षम करते हैं, और वर्चुअल रियलिटी सिस्टम अब होस्ट से स्वतंत्र रूप से पहने और उपयोग किए जा सकते हैं। 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 की खपत करना अधिक चुनौतीपूर्ण हो गया है।

नतीजतन, शोधकर्ता लगातार नई सामग्रियों की तलाश में रहते हैं जो संभावित रूप से ऐसी सामान्य सामग्रियों को प्रतिस्थापित कर सकती हैं और छोटे, अधिक कुशल उपकरणों की पेशकश जारी रख सकती हैं।गैलियम नाइट्राइड (GaN)एक ऐसी सामग्री है जिसने महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किया है, और सिलिकॉन की तुलना में कारण स्पष्ट हैं।

क्या बनाता हैगैलियम नाइट्राइडअसाधारण रूप से कुशल?

सबसे पहले, GaN की विद्युत चालकता सिलिकॉन की तुलना में 1000 गुना अधिक है, जो इसे उच्च धाराओं पर काम करने में सक्षम बनाती है। इसका मतलब यह हैगण मनउपकरण अत्यधिक गर्मी उत्पन्न किए बिना काफी उच्च शक्ति स्तर पर चल सकते हैं, जिससे उन्हें किसी दिए गए बिजली उत्पादन के लिए छोटा बनाया जा सकता है।

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

दूसरे, GaN का बड़ा बैंड गैप (1.1eV की तुलना में 3.4eV) इसे डाइइलेक्ट्रिक ब्रेकडाउन से पहले उच्च वोल्टेज पर उपयोग करने की अनुमति देता है। फलस्वरूप,गण मनयह न केवल अधिक शक्ति प्रदान करता है बल्कि उच्च दक्षता बनाए रखते हुए उच्च वोल्टेज पर भी काम कर सकता है।

उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता भी अनुमति देती हैगण मनउच्च आवृत्तियों पर उपयोग किया जाना है। यह कारक आरएफ पावर अनुप्रयोगों के लिए GaN को आवश्यक बनाता है जो GHz रेंज से ऊपर काम करते हैं, जिसे संभालने के लिए सिलिकॉन को संघर्ष करना पड़ता है। हालाँकि, तापीय चालकता के मामले में, सिलिकॉन थोड़ा बेहतर प्रदर्शन करता हैगण मन, जिसका अर्थ है कि GaN उपकरणों में सिलिकॉन उपकरणों की तुलना में अधिक तापीय आवश्यकताएं होती हैं। परिणामस्वरूप, तापीय चालकता की कमी लघुकरण करने की क्षमता को सीमित कर देती हैगण मनउच्च-शक्ति संचालन के लिए उपकरण, क्योंकि गर्मी अपव्यय के लिए बड़ी मात्रा में सामग्री की आवश्यकता होती है।

का घातक दोष क्या हैगण मन—पी-प्रकार का अभाव?

उच्च शक्ति और उच्च आवृत्तियों पर काम करने में सक्षम अर्धचालक का होना उत्कृष्ट है। हालाँकि, इसके सभी फायदों के बावजूद, GaN में एक बड़ी खामी है जो कई अनुप्रयोगों में सिलिकॉन को बदलने की इसकी क्षमता में गंभीर बाधा डालती है: P-प्रकार GaN उपकरणों की कमी।

इन नई खोजी गई सामग्रियों का एक मुख्य उद्देश्य दक्षता में उल्लेखनीय सुधार करना और उच्च शक्ति और वोल्टेज का समर्थन करना है, और इसमें कोई संदेह नहीं है कि वर्तमानगण मनट्रांजिस्टर इसे प्राप्त कर सकते हैं। हालाँकि, हालांकि व्यक्तिगत GaN ट्रांजिस्टर वास्तव में कुछ प्रभावशाली विशेषताएँ प्रदान कर सकते हैं, तथ्य यह है कि सभी मौजूदा वाणिज्यिकगण मनउपकरण एन-प्रकार के होते हैं जो उनकी दक्षता क्षमताओं को प्रभावित करते हैं।

यह मामला क्यों है, यह समझने के लिए हमें यह देखने की जरूरत है कि एनएमओएस और सीएमओएस तर्क कैसे काम करते हैं। अपनी सरल निर्माण प्रक्रिया और डिज़ाइन के कारण, एनएमओएस लॉजिक 1970 और 1980 के दशक में एक बहुत लोकप्रिय तकनीक थी। एन-टाइप एमओएस ट्रांजिस्टर की बिजली आपूर्ति और ड्रेन के बीच जुड़े एकल अवरोधक का उपयोग करके, इस ट्रांजिस्टर का गेट एमओएस ट्रांजिस्टर के ड्रेन वोल्टेज को नियंत्रित कर सकता है, प्रभावी रूप से एक नॉट गेट को लागू कर सकता है। जब अन्य NMOS ट्रांजिस्टर के साथ जोड़ा जाता है, तो AND, OR, XOR और लैच सहित सभी तर्क तत्व बनाए जा सकते हैं।

हालाँकि, जबकि यह तकनीक सरल है, यह शक्ति प्रदान करने के लिए प्रतिरोधों का उपयोग करती है। इसका मतलब यह है कि जब एनएमओएस ट्रांजिस्टर संचालित होते हैं, तो प्रतिरोधों पर महत्वपूर्ण मात्रा में बिजली बर्बाद होती है। एक व्यक्तिगत गेट के लिए, यह बिजली हानि न्यूनतम है, लेकिन जब इसे छोटे 8-बिट सीपीयू तक बढ़ाया जाता है, तो यह बिजली हानि जमा हो सकती है, जिससे डिवाइस गर्म हो सकता है और एक चिप पर सक्रिय घटकों की संख्या सीमित हो सकती है।

एनएमओएस प्रौद्योगिकी सीएमओएस में कैसे विकसित हुई?

दूसरी ओर, CMOS पी-टाइप और एन-टाइप ट्रांजिस्टर का उपयोग करता है जो विपरीत तरीकों से सहक्रियात्मक रूप से काम करते हैं। सीएमओएस लॉजिक गेट की इनपुट स्थिति के बावजूद, गेट का आउटपुट बिजली से जमीन तक कनेक्शन की अनुमति नहीं देता है, जिससे बिजली की हानि काफी कम हो जाती है (जैसे कि जब एन-प्रकार संचालित होता है, पी-प्रकार इंसुलेट करता है, और इसके विपरीत)। वास्तव में, सीएमओएस सर्किट में एकमात्र वास्तविक बिजली हानि राज्य संक्रमण के दौरान होती है, जहां पूरक जोड़े के माध्यम से बिजली और जमीन के बीच एक क्षणिक संबंध बनता है।

पर लौट रहा हूँगण मनउपकरण, चूंकि वर्तमान में केवल एन-प्रकार के उपकरण ही मौजूद हैं, इसलिए यह एकमात्र उपलब्ध तकनीक हैगण मनएनएमओएस है, जो स्वाभाविक रूप से बिजली का भूखा है। आरएफ एम्पलीफायरों के लिए यह कोई समस्या नहीं है, लेकिन लॉजिक सर्किट के लिए यह एक बड़ी कमी है।

जैसे-जैसे वैश्विक ऊर्जा खपत बढ़ती जा रही है और प्रौद्योगिकी के पर्यावरणीय प्रभाव की बारीकी से जांच की जा रही है, इलेक्ट्रॉनिक्स में ऊर्जा दक्षता की खोज पहले से कहीं अधिक महत्वपूर्ण हो गई है। एनएमओएस प्रौद्योगिकी की बिजली खपत सीमाएं उच्च प्रदर्शन और उच्च ऊर्जा दक्षता प्रदान करने के लिए अर्धचालक सामग्रियों में सफलताओं की तत्काल आवश्यकता को रेखांकित करती हैं। पी-प्रकार का विकासगण मनया वैकल्पिक पूरक प्रौद्योगिकियां इस खोज में एक महत्वपूर्ण मील का पत्थर साबित हो सकती हैं, जो संभावित रूप से ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के डिजाइन में क्रांतिकारी बदलाव ला सकती हैं।

दिलचस्प बात यह है कि पी-टाइप का निर्माण करना पूरी तरह से संभव हैगण मनउपकरण, और इनका उपयोग ब्लू-रे सहित नीले एलईडी प्रकाश स्रोतों में किया गया है। हालाँकि, ये उपकरण ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक आवश्यकताओं के लिए पर्याप्त हैं, लेकिन ये डिजिटल लॉजिक और पावर अनुप्रयोगों के लिए आदर्श से बहुत दूर हैं। उदाहरण के लिए, पी-टाइप के निर्माण के लिए एकमात्र व्यावहारिक डोपेंटगण मनउपकरण में मैग्नीशियम होता है, लेकिन आवश्यक उच्च सांद्रता के कारण, एनीलिंग के दौरान हाइड्रोजन आसानी से संरचना में प्रवेश कर सकता है, जिससे सामग्री का प्रदर्शन प्रभावित होता है।

इसलिए, पी-प्रकार की अनुपस्थितिगण मनउपकरण इंजीनियरों को सेमीकंडक्टर के रूप में GaN की क्षमता का पूरी तरह से दोहन करने से रोकता है।

भावी इंजीनियरों के लिए इसका क्या मतलब है?

वर्तमान में, कई सामग्रियों का अध्ययन किया जा रहा है, जिसमें एक अन्य प्रमुख उम्मीदवार सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) है। पसंदगण मनसिलिकॉन की तुलना में, यह उच्च ऑपरेटिंग वोल्टेज, अधिक ब्रेकडाउन वोल्टेज और बेहतर चालकता प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, इसकी उच्च तापीय चालकता इसे अधिक शक्ति को नियंत्रित करते हुए अत्यधिक तापमान और काफी छोटे आकार में उपयोग करने की अनुमति देती है।

हालाँकि, इसके विपरीतगण मन, SiC उच्च आवृत्तियों के लिए उपयुक्त नहीं है, जिसका अर्थ है कि इसका उपयोग आरएफ अनुप्रयोगों के लिए किए जाने की संभावना नहीं है। इसलिए,गण मनछोटे पावर एम्पलीफायर बनाने के इच्छुक इंजीनियरों के लिए यह पसंदीदा विकल्प बना हुआ है। पी-प्रकार की समस्या का एक समाधान गठबंधन करना हैगण मनपी-प्रकार सिलिकॉन एमओएस ट्रांजिस्टर के साथ। हालाँकि यह पूरक क्षमताएँ प्रदान करता है, यह स्वाभाविक रूप से GaN की आवृत्ति और दक्षता को सीमित करता है।

जैसे-जैसे प्रौद्योगिकी आगे बढ़ती है, शोधकर्ता अंततः पी-प्रकार ढूंढ सकते हैंगण मनविभिन्न तकनीकों का उपयोग करने वाले उपकरण या पूरक उपकरण जिन्हें GaN के साथ जोड़ा जा सकता है। हालाँकि, जब तक वह दिन नहीं आता,गण मनहमारे समय की तकनीकी सीमाओं से विवश होना जारी रहेगा।

सेमीकंडक्टर अनुसंधान की अंतःविषय प्रकृति, जिसमें सामग्री विज्ञान, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और भौतिकी शामिल है, मौजूदा सीमाओं को दूर करने के लिए आवश्यक सहयोगात्मक प्रयासों को रेखांकित करती है।गण मनतकनीकी। पी-प्रकार के विकास में संभावित सफलताएँगण मनया उपयुक्त पूरक सामग्री खोजने से न केवल GaN-आधारित उपकरणों के प्रदर्शन में वृद्धि हो सकती है, बल्कि व्यापक अर्धचालक प्रौद्योगिकी परिदृश्य में भी योगदान हो सकता है, जो भविष्य में अधिक कुशल, कॉम्पैक्ट और विश्वसनीय इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम का मार्ग प्रशस्त करेगा।**

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