जब लोग यह शब्द सुनते हैंसिलिकन कार्बाइड, यासिक, पहली चीज़ जो दिमाग में आ सकती है वह एक सिलिकॉन कार्बाइड पीसने वाला पहिया है, जिसे आमतौर पर कार्बोरंडम के रूप में जाना जाता है। अपने उत्कृष्ट पहनने के प्रतिरोध, उच्च कठोरता और उच्च तापमान प्रतिरोध के कारण, सिलिकॉन कार्बाइड लंबे समय से अपघर्षक, पीसने वाले उपकरण, दुर्दम्य सामग्री और कार्यात्मक सिरेमिक में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
पिछले लेख में, हमने "प्रेम रत्न" के रूप में सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल की कहानी पर चर्चा की थी। इस लेख में, हम सिलिकॉन कार्बाइड पर ध्यान केंद्रित करेंगेअर्धचालक सामग्री.
अर्धचालक लगभग हर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में आवश्यक घटक हैं। सेमीकंडक्टर एक विशेष प्रकार की सामग्री है जिसकी विद्युत चालकता एक कंडक्टर, जैसे धातु, और एक इन्सुलेटर, जैसे सिरेमिक या प्लास्टिक, के बीच होती है। अर्धचालक की चालकता उसके ऑपरेटिंग तापमान या विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान पेश की गई अशुद्धियों के आधार पर भी भिन्न हो सकती है।
विद्युत चालकता द्वारा सामग्रियों का वर्गीकरण
कड़ाई से बोलते हुए, विद्युत चालकता किसके द्वारा निर्धारित की जाती हैऊर्जा बैंड संरचनाकिसी सामग्री का. इसलिए, अर्धचालक की मानक परिभाषा को ऊर्जा बैंड के परिप्रेक्ष्य से समझाया जाना चाहिए।
जैसा कि कंडक्टरों, अर्धचालकों और इंसुलेटर के ऊर्जा बैंड आरेख में दिखाया गया है, एक कंडक्टर का चालन बैंड और वैलेंस बैंड ओवरलैप होता है। बैंड की उपसंरचनाओं के बीच ऊर्जा का अंतर बहुत छोटा है, इसलिए चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने और एक दिशात्मक विद्युत प्रवाह बनाने के लिए केवल थोड़ी मात्रा में ऊर्जा, जैसे बाहरी विद्युत क्षेत्र, की आवश्यकता होती है।
इसके विपरीत, एक अर्धचालक में चालन बैंड और वैलेंस बैंड के बीच एक निषिद्ध बैंड या बैंड गैप होता है। चालन बैंड में उत्तेजित होने के लिए इलेक्ट्रॉनों को बैंड गैप से अधिक ऊर्जा प्राप्त करनी चाहिए। सामान्य तौर पर, अर्धचालकों का बैंड गैप 0 से 6.5 eV तक होता है। हालाँकि, इंसुलेटर में बहुत बड़ा बैंड गैप होता है, आमतौर पर 10 ईवी से अधिक के क्रम पर, जिससे इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में उत्तेजित करना बहुत मुश्किल हो जाता है। परिणामस्वरूप, इंसुलेटर आसानी से बिजली का संचालन नहीं करते हैं।
इससे पता चलता है कि अर्धचालकों की विशेष चालकता, जो कंडक्टर और इंसुलेटर के बीच होती है, उनकी ऊर्जा बैंड संरचना से निर्धारित होती है।
ऊर्जा बैंड संरचना आरेख
अर्धचालक शुद्ध तत्वों से बनाए जा सकते हैं, जिनमें सिलिकॉन और जर्मेनियम सबसे आम उदाहरण हैं। इन्हें मिश्रित सामग्रियों से भी बनाया जा सकता है, जैसेसिलिकॉन कार्बाइड (SiC)औरगैलियम आर्सेनाइड (GaAs).
प्रारंभिक अर्धचालक उपकरण मुख्यतः जर्मेनियम से बनाये जाते थे। बाद में, सिलिकॉन सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अर्धचालक पदार्थ बन गया। हालाँकि, जैसे-जैसे सिलिकॉन-आधारित डिवाइस का प्रदर्शन विकसित होता जा रहा है, यह धीरे-धीरे सिलिकॉन की भौतिक सीमाओं के करीब पहुंच गया है। परिणामस्वरूप, नई सामग्रियां सिलिकॉन के मजबूत प्रतिस्पर्धी के रूप में उभर रही हैं, और सिलिकॉन कार्बाइड उनमें से सबसे आशाजनक है।
आइए अब सिलिकॉन की तुलना में SiC के फायदों पर नजर डालें।
SiC एक यौगिक अर्धचालक पदार्थ है जो 1:1 स्टोइकोमेट्रिक अनुपात में कार्बन परमाणुओं और सिलिकॉन परमाणुओं से बना है। SiC क्रिस्टल की मूल संरचनात्मक इकाई एक टेट्राहेड्रल संरचना है, जैसे SiC₄ या CSi₄। इस सघन-पैक संरचना में, चार सिलिकॉन परमाणु एक टेट्राहेड्रोन बनाते हैं, जिसके केंद्र में एक कार्बन परमाणु स्थित होता है।
SiC की परमाणु संरचना
किसी सामग्री की संरचना उसके गुणों को निर्धारित करती है, और उसके गुण उसके अनुप्रयोगों को निर्धारित करते हैं। यह SiC की अद्वितीय परमाणु संरचना ही है जो इसे उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक गुण प्रदान करती है।
नीचे SiC के कई प्रमुख गुण दिए गए हैं, जिनमें क्रिटिकल ब्रेकडाउन स्ट्रेंथ, बैंड गैप और तापीय चालकता शामिल हैं।
SiC की क्रिटिकल ब्रेकडाउन शक्ति बहुत अधिक है। इसका मतलब यह है कि यह समान रेटेड वोल्टेज को बनाए रखते हुए और पैकेज में इन्सुलेशन आवश्यकताओं को कम करते हुए उच्च वोल्टेज का सामना कर सकता है। यह घटकों को ब्लॉकिंग वोल्टेज प्राप्त करने की भी अनुमति देता है जो पैकेज आकार में उल्लेखनीय वृद्धि किए बिना, सिलिकॉन के साथ संभव से अधिक परिमाण का क्रम हो सकता है।
छवि स्रोत: इंटरनेट
सेमीकंडक्टर की प्रमुख विशेषताओं में से एक इसकी विशेषता हैऊर्जा अंतर, के नाम से भी जाना जाता हैऊर्जा अंतराल. बैंड गैप को इलेक्ट्रॉन वोल्ट या eV में मापा जाता है, जहां 1 eV लगभग 1.602 × 10⁻¹⁹ जूल के बराबर होता है।
SiC का बैंड गैप लगभग है3.26 ई.वी, जबकि सिलिकॉन के बारे में है1.12 ई.वी. सिलिकॉन और GaAs जैसी पारंपरिक अर्धचालक सामग्रियों की तुलना में, SiC द्वारा प्रस्तुत तीसरी पीढ़ी के वाइड-बैंडगैप अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों, विशेष रूप से बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को उच्च वोल्टेज, उच्च तापमान और उच्च आवृत्तियों पर संचालित करने में सक्षम बनाते हैं। यह उपकरणों को तेज़, छोटा और अधिक विश्वसनीय बनाता है।
छवि स्रोत: इंटरनेट
तापीय चालकता अर्धचालक सामग्रियों का एक महत्वपूर्ण गुण है। तापीय चालकता जितनी अधिक होगी, अर्धचालक के लिए ऑपरेशन के दौरान उत्पन्न गर्मी को नष्ट करना उतना ही आसान होगा।
यह अच्छी तापीय चालकता वाली सामग्रियों से बने घटकों को छोटा करने की अनुमति देता है और पूरे सिस्टम के थर्मल प्रबंधन में सुधार करता है। SiC की तापीय चालकता लगभग है430 डब्लू/एम·के, जबकि सिलिकॉन के बारे में है150 डब्लू/एम·के.
छवि स्रोत: इंटरनेट
हम पहले ही SiC के कई अनुप्रयोगों पर चर्चा कर चुके हैं, जिनमें दुर्दम्य सामग्री, अपघर्षक और कार्यात्मक सिरेमिक शामिल हैं। हालाँकि, SiC का सबसे रोमांचक अनुप्रयोग जैसे उपकरणों के लिए पावर सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में इसका प्रदर्शन हैMOSFETsऔरशॉट्की बैरियर डायोड (एसबीडी).
अपनी उच्च ब्रेकडाउन ताकत, विस्तृत बैंड गैप और उत्कृष्ट तापीय चालकता के कारण, SiC कई मांग वाले अनुप्रयोगों में सिलिकॉन, जर्मेनियम और गैलियम आर्सेनाइड जैसी सामग्रियों से बेहतर प्रदर्शन कर सकता है।
जैसे-जैसे विनिर्माण प्रौद्योगिकियां परिपक्व हो रही हैं, सिलिकॉन कार्बाइड सेमीकंडक्टर सामग्री के क्षेत्र में एक आशाजनक नए सितारे के रूप में तेजी से बढ़ रहा है।
जब लोग यह शब्द सुनते हैंसिलिकन कार्बाइड, यासिक, पहली चीज़ जो दिमाग में आ सकती है वह एक सिलिकॉन कार्बाइड पीसने वाला पहिया है, जिसे आमतौर पर कार्बोरंडम के रूप में जाना जाता है। अपने उत्कृष्ट पहनने के प्रतिरोध, उच्च कठोरता और उच्च तापमान प्रतिरोध के कारण, सिलिकॉन कार्बाइड लंबे समय से अपघर्षक, पीसने वाले उपकरण, दुर्दम्य सामग्री और कार्यात्मक सिरेमिक में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
पिछले लेख में, हमने "प्रेम रत्न" के रूप में सिलिकॉन कार्बाइड क्रिस्टल की कहानी पर चर्चा की थी। इस लेख में, हम सिलिकॉन कार्बाइड पर ध्यान केंद्रित करेंगेअर्धचालक सामग्री.
अर्धचालक लगभग हर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में आवश्यक घटक हैं। सेमीकंडक्टर एक विशेष प्रकार की सामग्री है जिसकी विद्युत चालकता एक कंडक्टर, जैसे धातु, और एक इन्सुलेटर, जैसे सिरेमिक या प्लास्टिक, के बीच होती है। अर्धचालक की चालकता उसके ऑपरेटिंग तापमान या विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान पेश की गई अशुद्धियों के आधार पर भी भिन्न हो सकती है।
विद्युत चालकता द्वारा सामग्रियों का वर्गीकरण
कड़ाई से बोलते हुए, विद्युत चालकता किसके द्वारा निर्धारित की जाती हैऊर्जा बैंड संरचनाकिसी सामग्री का. इसलिए, अर्धचालक की मानक परिभाषा को ऊर्जा बैंड के परिप्रेक्ष्य से समझाया जाना चाहिए।
जैसा कि कंडक्टरों, अर्धचालकों और इंसुलेटर के ऊर्जा बैंड आरेख में दिखाया गया है, एक कंडक्टर का चालन बैंड और वैलेंस बैंड ओवरलैप होता है। बैंड की उपसंरचनाओं के बीच ऊर्जा का अंतर बहुत छोटा है, इसलिए चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने और एक दिशात्मक विद्युत प्रवाह बनाने के लिए केवल थोड़ी मात्रा में ऊर्जा, जैसे बाहरी विद्युत क्षेत्र, की आवश्यकता होती है।
इसके विपरीत, एक अर्धचालक में चालन बैंड और वैलेंस बैंड के बीच एक निषिद्ध बैंड या बैंड गैप होता है। चालन बैंड में उत्तेजित होने के लिए इलेक्ट्रॉनों को बैंड गैप से अधिक ऊर्जा प्राप्त करनी चाहिए। सामान्य तौर पर, अर्धचालकों का बैंड गैप 0 से 6.5 eV तक होता है। हालाँकि, इंसुलेटर में बहुत बड़ा बैंड गैप होता है, आमतौर पर 10 ईवी से अधिक के क्रम पर, जिससे इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में उत्तेजित करना बहुत मुश्किल हो जाता है। परिणामस्वरूप, इंसुलेटर आसानी से बिजली का संचालन नहीं करते हैं।
इससे पता चलता है कि अर्धचालकों की विशेष चालकता, जो कंडक्टर और इंसुलेटर के बीच होती है, उनकी ऊर्जा बैंड संरचना से निर्धारित होती है।
ऊर्जा बैंड संरचना आरेख
अर्धचालक शुद्ध तत्वों से बनाए जा सकते हैं, जिनमें सिलिकॉन और जर्मेनियम सबसे आम उदाहरण हैं। इन्हें मिश्रित सामग्रियों से भी बनाया जा सकता है, जैसेसिलिकॉन कार्बाइड (SiC)औरगैलियम आर्सेनाइड (GaAs).
प्रारंभिक अर्धचालक उपकरण मुख्यतः जर्मेनियम से बनाये जाते थे। बाद में, सिलिकॉन सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अर्धचालक पदार्थ बन गया। हालाँकि, जैसे-जैसे सिलिकॉन-आधारित डिवाइस का प्रदर्शन विकसित होता जा रहा है, यह धीरे-धीरे सिलिकॉन की भौतिक सीमाओं के करीब पहुंच गया है। परिणामस्वरूप, नई सामग्रियां सिलिकॉन के मजबूत प्रतिस्पर्धी के रूप में उभर रही हैं, और सिलिकॉन कार्बाइड उनमें से सबसे आशाजनक है।
आइए अब सिलिकॉन की तुलना में SiC के फायदों पर नजर डालें।
SiC एक यौगिक अर्धचालक पदार्थ है जो 1:1 स्टोइकोमेट्रिक अनुपात में कार्बन परमाणुओं और सिलिकॉन परमाणुओं से बना है। SiC क्रिस्टल की मूल संरचनात्मक इकाई एक टेट्राहेड्रल संरचना है, जैसे SiC₄ या CSi₄। इस सघन-पैक संरचना में, चार सिलिकॉन परमाणु एक टेट्राहेड्रोन बनाते हैं, जिसके केंद्र में एक कार्बन परमाणु स्थित होता है।
SiC की परमाणु संरचना
किसी सामग्री की संरचना उसके गुणों को निर्धारित करती है, और उसके गुण उसके अनुप्रयोगों को निर्धारित करते हैं। यह SiC की अद्वितीय परमाणु संरचना ही है जो इसे उत्कृष्ट भौतिक और रासायनिक गुण प्रदान करती है।
नीचे SiC के कई प्रमुख गुण दिए गए हैं, जिनमें क्रिटिकल ब्रेकडाउन स्ट्रेंथ, बैंड गैप और तापीय चालकता शामिल हैं।
SiC की क्रिटिकल ब्रेकडाउन शक्ति बहुत अधिक है। इसका मतलब यह है कि यह समान रेटेड वोल्टेज को बनाए रखते हुए और पैकेज में इन्सुलेशन आवश्यकताओं को कम करते हुए उच्च वोल्टेज का सामना कर सकता है। यह घटकों को ब्लॉकिंग वोल्टेज प्राप्त करने की भी अनुमति देता है जो पैकेज आकार में उल्लेखनीय वृद्धि किए बिना, सिलिकॉन के साथ संभव से अधिक परिमाण का क्रम हो सकता है।
छवि स्रोत: इंटरनेट
सेमीकंडक्टर की प्रमुख विशेषताओं में से एक इसकी विशेषता हैऊर्जा अंतर, के नाम से भी जाना जाता हैऊर्जा अंतराल. बैंड गैप को इलेक्ट्रॉन वोल्ट या eV में मापा जाता है, जहां 1 eV लगभग 1.602 × 10⁻¹⁹ जूल के बराबर होता है।
SiC का बैंड गैप लगभग है3.26 ई.वी, जबकि सिलिकॉन के बारे में है1.12 ई.वी. सिलिकॉन और GaAs जैसी पारंपरिक अर्धचालक सामग्रियों की तुलना में, SiC द्वारा प्रस्तुत तीसरी पीढ़ी के वाइड-बैंडगैप अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों, विशेष रूप से बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को उच्च वोल्टेज, उच्च तापमान और उच्च आवृत्तियों पर संचालित करने में सक्षम बनाते हैं। यह उपकरणों को तेज़, छोटा और अधिक विश्वसनीय बनाता है।
छवि स्रोत: इंटरनेट
तापीय चालकता अर्धचालक सामग्रियों का एक महत्वपूर्ण गुण है। तापीय चालकता जितनी अधिक होगी, अर्धचालक के लिए ऑपरेशन के दौरान उत्पन्न गर्मी को नष्ट करना उतना ही आसान होगा।
यह अच्छी तापीय चालकता वाली सामग्रियों से बने घटकों को छोटा करने की अनुमति देता है और पूरे सिस्टम के थर्मल प्रबंधन में सुधार करता है। SiC की तापीय चालकता लगभग है430 डब्लू/एम·के, जबकि सिलिकॉन के बारे में है150 डब्लू/एम·के.
छवि स्रोत: इंटरनेट
हम पहले ही SiC के कई अनुप्रयोगों पर चर्चा कर चुके हैं, जिनमें दुर्दम्य सामग्री, अपघर्षक और कार्यात्मक सिरेमिक शामिल हैं। हालाँकि, SiC का सबसे रोमांचक अनुप्रयोग जैसे उपकरणों के लिए पावर सेमीकंडक्टर सामग्री के रूप में इसका प्रदर्शन हैMOSFETsऔरशॉट्की बैरियर डायोड (एसबीडी).
अपनी उच्च ब्रेकडाउन ताकत, विस्तृत बैंड गैप और उत्कृष्ट तापीय चालकता के कारण, SiC कई मांग वाले अनुप्रयोगों में सिलिकॉन, जर्मेनियम और गैलियम आर्सेनाइड जैसी सामग्रियों से बेहतर प्रदर्शन कर सकता है।
जैसे-जैसे विनिर्माण प्रौद्योगिकियां परिपक्व हो रही हैं, सिलिकॉन कार्बाइड सेमीकंडक्टर सामग्री के क्षेत्र में एक आशाजनक नए सितारे के रूप में तेजी से बढ़ रहा है।
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