तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक इतने लोकप्रिय क्यों हैं?

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक वर्तमान में उच्च तकनीक के क्षेत्र में सबसे गर्म विषय हैं, जो 5जी, इलेक्ट्रिक वाहनों, नवीकरणीय ऊर्जा और उद्योग 4 के विकास में एक अपरिहार्य भूमिका निभाते हैं।0. भले ही हम अक्सर इन विकासों के बारे में सुनते हैं, कई लोगों को अभी भी उनके बारे में केवल एक अस्पष्ट समझ है. तो, वास्तव में तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक क्या है? इस श्रृंखला में,हम आपको इस महत्वपूर्ण तकनीक को समझने में मदद करने के लिए सबसे सीधा और व्यापक दृष्टिकोण प्रदान करेंगे जो प्रौद्योगिकी उद्योग के भविष्य को आकार देने के लिए तैयार है।.

तीसरी पीढ़ी का अर्धचालक और व्यापक बैंडगैप क्या है?

जब हम तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के बारे में बात करते हैं, तो पहले हम पहली और दूसरी पीढ़ी का संक्षेप में परिचय देते हैं।पहली पीढ़ी का अर्धचालक सिलिकॉन (Si) है, और दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक गैलियम आर्सेनइड (GaAs) हैं। तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक (जिसे "वाइड-बैंड गैप अर्धचालक" के रूप में भी जाना जाता है," WBG) में सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) शामिल हैं.

वाइड बैंड गैप सेमीकंडक्टर्स में "बैंड गैप" "एक सेमीकंडक्टर को इन्सुलेटिंग से कंडक्टिंग स्टेट्स में संक्रमण करने के लिए आवश्यक ऊर्जा गैप" का प्रतिनिधित्व करता है।

सिलिकॉन और गैलियम आर्सेनइड, पहली और दूसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के रूप में, क्रमशः 1.12 eV और 1.43 eV के मानों के साथ कम बैंडगैप हैं। इसके विपरीत,तीसरी पीढ़ी के (वाइड-बैंड-गैप) अर्धचालकों के बैंडगैप SiC और GaN 3 हैं.2eV और 3.4eV, क्रमशः। इसलिए, उच्च तापमान, दबाव या धाराओं के अधीन होने पर,तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों में पहली और दूसरी पीढ़ी की तुलना में इन्सुलेटिंग से कंडक्टिंग स्टेट्स में संक्रमण की संभावना कम होती हैवे अधिक स्थिर गुणों और बेहतर ऊर्जा रूपांतरण क्षमताओं का प्रदर्शन करते हैं।

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के बारे में आम गलत धारणाएं

5जी और इलेक्ट्रिक वाहन युग के आगमन के साथ, उच्च आवृत्ति, उच्च गति कंप्यूटिंग और तेजी से चार्जिंग की मांग बढ़ी है।सिलिकॉन और गैलियम आर्सेनइड तापमान के मामले में अपनी सीमा तक पहुँच चुके हैं।इसके अलावा, जब ऑपरेटिंग तापमान 100 डिग्री से अधिक होता है, तो पहली दो पीढ़ियों के उत्पादों में विफलता की अधिक संभावना होती है,उन्हें कठोर वातावरण के लिए अनुपयुक्त बना रहा हैकार्बन उत्सर्जन पर वैश्विक ध्यान देने के साथ, उच्च दक्षता, कम ऊर्जा की खपत तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक युग के नए पसंदीदा बन गए हैं।

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक उच्च आवृत्तियों पर भी उत्कृष्ट प्रदर्शन और स्थिरता बनाए रख सकते हैं।और तेजी से गर्मी का अपव्ययजब चिप के आकार को बहुत कम किया जाता है, तो वे परिधीय सर्किट डिजाइन को सरल बनाने में मदद करते हैं, जिससे मॉड्यूल और शीतलन प्रणालियों की मात्रा कम हो जाती है।

बहुत से लोग गलत तरीके से मानते हैं कि तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पहली और दूसरी पीढ़ी की तकनीकी प्रगति से जमा होते हैं, लेकिन यह पूरी तरह से सच नहीं है।चित्र में देखा गया है, ये तीन पीढ़ी के अर्धचालक वास्तव में समानांतर में प्रौद्योगिकियों का विकास कर रहे हैं।

SiC और GaN दोनों के अपने-अपने फायदे और अलग-अलग विकास क्षेत्र हैं।

अर्धचालकों की पहली तीन पीढ़ियों के बीच अंतर को समझने के बाद, हम तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों की सामग्री पर ध्यान केंद्रित करते हैं - SiC और GaN।इन दोनों सामग्रियों के अनुप्रयोग क्षेत्र थोड़ा अलग हैंवर्तमान में, GaN घटकों का उपयोग आमतौर पर 900V से कम वोल्टेज वाले क्षेत्रों में किया जाता है, जैसे कि चार्जर, बेस स्टेशन और 5G संचार से संबंधित अन्य उच्च आवृत्ति उत्पाद;दूसरी ओर, का उपयोग 1200V से अधिक वोल्टेज वाले अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे इलेक्ट्रिक वाहन।

SiC सिलिकॉन (Si) और कार्बन (C) से बना है, जिसमें ऊष्मा, रसायन और यांत्रिकी के संदर्भ में मजबूत बंधन और स्थिरता है। इसके कम नुकसान और उच्च शक्ति विशेषताओं के कारण,SiC उच्च वोल्टेज और उच्च धारा अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है, जैसे इलेक्ट्रिक वाहन, इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग इन्फ्रास्ट्रक्चर, सौर और अपतटीय पवन ऊर्जा उत्पादन उपकरण।

इसके अलावा, SiC स्वयं "समरूप एपिटेक्सी" तकनीक का उपयोग करता है, इसलिए इसकी अच्छी गुणवत्ता और उच्च घटक विश्वसनीयता है। यह भी मुख्य कारण है कि इलेक्ट्रिक वाहन इसका उपयोग करना चुनते हैं। इसके अतिरिक्त,चूंकि यह एक ऊर्ध्वाधर उपकरण है, इसलिए इसमें उच्च शक्ति घनत्व है।

वर्तमान में इलेक्ट्रिक वाहनों की पावर सिस्टम मुख्य रूप से 200V और 450V के बीच काम करती है, और उच्च अंत मॉडल भविष्य में 800V की ओर बढ़ेंगे, जिससे यह SiC का मुख्य बाजार बन जाएगा।सीआईसी वेफर का निर्माण मुश्किल है, लंबे क्रिस्टल के स्रोत क्रिस्टल के लिए उच्च आवश्यकताओं के साथ, जो आसानी से प्राप्त नहीं किया जाता है।लंबी क्रिस्टल तकनीक की कठिनाई का मतलब है कि बड़े पैमाने पर उत्पादन अभी भी संभव नहीं है, जिसे बाद में विस्तार से बताया जाएगा।

GaN एक पार्श्व घटक है जो विभिन्न सब्सट्रेट पर बढ़ता है, जैसे कि SiC या Si सब्सट्रेट, "विभेदक एपिटेक्सी" तकनीक का उपयोग करते हुए।इस पद्धति से निर्मित गा एन पतली फिल्मों की गुणवत्ता अपेक्षाकृत खराब होती हैहालांकि इनका वर्तमान में उपभोक्ता क्षेत्रों जैसे कि फास्ट चार्जिंग में उपयोग किया जाता है, लेकिन इलेक्ट्रिक वाहनों या औद्योगिक अनुप्रयोगों में इनका उपयोग करने के बारे में कुछ संदेह हैं।जो कि एक दिशा है कि निर्माताओं के माध्यम से तोड़ने के लिए उत्सुक हैं.

GaN के अनुप्रयोग क्षेत्रों में उच्च वोल्टेज पावर डिवाइस (पावर) और उच्च आवृत्ति घटक (आरएफ) शामिल हैं। पावर का उपयोग अक्सर पावर कन्वर्टर्स और रेक्टिफायर के रूप में किया जाता है,जबकि ब्लूटूथ जैसी आम तौर पर इस्तेमाल की जाने वाली प्रौद्योगिकियां, वाई-फाई और जीपीएस पोजिशनिंग आरएफ रेडियो आवृत्ति घटकों के उदाहरण हैं।

सब्सट्रेट प्रौद्योगिकी के संदर्भ में, GaN सब्सट्रेट की उत्पादन लागत अपेक्षाकृत अधिक है। इसलिए, GaN घटक ज्यादातर सिलिकॉन सब्सट्रेट पर आधारित हैं।वर्तमान में बाजार में उपलब्ध GaN पावर डिवाइस दो प्रकार के वेफर्स का उपयोग करके निर्मित किए जाते हैं: GaN-on-Si (सिलिकॉन पर गैलियम नाइट्राइड) और GaN-on-SiC (सिलिकॉन कार्बाइड पर गैलियम नाइट्राइड) ।

आम तौर पर सुना GaN प्रक्रिया प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों, जैसे कि GaN आरएफ रेडियो आवृत्ति उपकरणों और PowerGaN, GaN-on-Si सब्सट्रेट प्रौद्योगिकी से व्युत्पन्न कर रहे हैं।सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट (SiC) के निर्माण में कठिनाइयों के कारण, प्रौद्योगिकी मुख्य रूप से कुछ अंतरराष्ट्रीय निर्माताओं द्वारा नियंत्रित की जाती है, जैसे कि संयुक्त राज्य अमेरिका में क्री और II-VI और ROHM सेमीकंडक्टर।