GaN सिंगल क्रिस्टल

सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान आधुनिक सभ्यतेचा कणा आहे, ज्याने आपण जगण्याच्या, कार्य करण्याच्या आणि जगाशी संवाद साधण्याच्या पद्धतीत मूलभूतपणे परिवर्तन केले आहे. माहिती तंत्रज्ञान, ऊर्जा, दूरसंचार आणि आरोग्यसेवा यासह विविध क्षेत्रात अभूतपूर्व प्रगती सक्षम केली आहे. आमच्या स्मार्टफोन्स आणि संगणकांना उर्जा देणाऱ्या मायक्रोप्रोसेसरपासून, वैद्यकीय उपकरणांमधील सेन्सरपर्यंत आणि अक्षय ऊर्जा प्रणालींमधील पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्सपर्यंत, अर्धसंवाहक हे गेल्या शतकातील जवळजवळ प्रत्येक तांत्रिक नवकल्पनाचा केंद्रबिंदू आहेत.

सेमीकंडक्टरची पहिली पिढी: जर्मेनियम आणि सिलिकॉन

सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञानाचा इतिहास सेमीकंडक्टरच्या पहिल्या पिढीपासून सुरू झाला, प्रामुख्याने जर्मेनियम (Ge) आणि सिलिकॉन (Si). हे साहित्य मूलभूत अर्धसंवाहक आहेत, म्हणजे ते एकाच घटकाने बनलेले आहेत. सिलिकॉन, विशेषतः, त्याच्या विपुलतेमुळे, किफायतशीरपणामुळे आणि उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्मांमुळे सर्वाधिक प्रमाणात वापरली जाणारी सेमीकंडक्टर सामग्री आहे. सिलिकॉन-आधारित तंत्रज्ञान दशकांहून अधिक परिपक्व झाले आहे, ज्यामुळे आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्सचा पाया बनवणाऱ्या एकात्मिक सर्किट्स (ICs) विकसित होत आहेत. सिलिकॉनची स्थिर आणि उच्च-गुणवत्तेची ऑक्साईड थर (सिलिकॉन डायऑक्साइड) तयार करण्याची क्षमता मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (एमओएस) उपकरणांच्या यशामध्ये एक महत्त्वपूर्ण घटक आहे, जे बहुतेक डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्सचे बिल्डिंग ब्लॉक्स आहेत.

सेमीकंडक्टरची दुसरी पिढी: गॅलियम आर्सेनाइड आणि इंडियम फॉस्फाइड

तंत्रज्ञान विकसित होत असताना, सिलिकॉनच्या मर्यादा स्पष्ट झाल्या, विशेषत: उच्च-गती आणि उच्च-वारंवारता अनुप्रयोगांमध्ये. यामुळे सेमीकंडक्टर्सच्या दुसऱ्या पिढीचा विकास झाला, ज्यामध्ये गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) आणि इंडियम फॉस्फाइड (InP) सारख्या मिश्रित अर्धसंवाहकांचा समावेश आहे. हे साहित्य त्यांच्या उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉन गतिशीलता आणि थेट बँडगॅपसाठी ओळखले जाते, ज्यामुळे ते प्रकाश-उत्सर्जक डायोड्स (LEDs), लेसर डायोड्स आणि उच्च-फ्रिक्वेंसी ट्रान्झिस्टरसारख्या ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसाठी आदर्श बनतात. GaAs, उदाहरणार्थ, मायक्रोवेव्ह आणि मिलिमीटर-वेव्ह कम्युनिकेशन सिस्टम, तसेच उपग्रह आणि रडार तंत्रज्ञानामध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. त्यांचे फायदे असूनही, उच्च खर्च आणि उत्पादनातील आव्हानांमुळे GaAs आणि InP चा व्यापक अवलंब मर्यादित आहे.

सेमीकंडक्टरची तिसरी पिढी:सिलिकॉन कार्बाइडआणिगॅलियम नायट्राइड

अलिकडच्या वर्षांत, फोकस अर्धसंवाहकांच्या तिसऱ्या पिढीकडे वळला आहे, ज्यामध्ये सामग्रीचा समावेश आहेसिलिकॉन कार्बाइड (SiC)आणिगॅलियम नायट्राइड (GaN). या सामग्रीमध्ये विस्तृत बँडगॅप आहे, याचा अर्थ ते त्यांच्या पूर्ववर्तींपेक्षा जास्त व्होल्टेज, तापमान आणि वारंवारतांवर कार्य करू शकतात.GaN, विशेषतः, 3.4 eV चा विस्तृत बँडगॅप, उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, उच्च ब्रेकडाउन व्होल्टेज आणि उत्कृष्ट थर्मल चालकता यासह त्याच्या अपवादात्मक गुणधर्मांसाठी लक्षणीय लक्ष वेधून घेतले आहे. ही वैशिष्ट्ये बनवतातGaNफास्ट चार्जर्स, पॉवर ट्रान्झिस्टर आणि रेडिओ-फ्रिक्वेंसी (RF) मायक्रोवेव्ह उपकरणांसारख्या उच्च-शक्ती आणि उच्च-फ्रिक्वेंसी अनुप्रयोगांसाठी एक आदर्श उमेदवार.

मध्ये क्रिस्टल स्ट्रक्चर आणि बाँडिंगGaN

GaNकंपाऊंड सेमीकंडक्टरच्या III-V गटाशी संबंधित आहे, जे आवर्त सारणीतील गट III (उदा. गॅलियम) आणि गट V (उदा. नायट्रोजन) मधील घटकांनी बनलेले आहे. ची क्रिस्टल रचनाGaNदोन प्राथमिक स्वरूपात अस्तित्वात असू शकतात: हेक्सागोनल व्हर्टझाइट आणि क्यूबिक स्फेलेराइट. क्रिस्टल स्ट्रक्चरचा प्रकार अणूंमधील रासायनिक बंधांच्या स्वरूपावर प्रभाव टाकतो. अर्धसंवाहक संयुगेमध्ये, बाँडिंग सहसंयोजक आणि आयनिक बंधांचे मिश्रण असू शकते. बॉन्ड जितका अधिक आयनिक असेल तितकी सामग्रीची व्हर्टझाईट रचना तयार होण्याची शक्यता जास्त असते. च्या बाबतीतGaN, गॅलियम (Ga) आणि नायट्रोजन (N) मधील इलेक्ट्रोनेगेटिव्हिटीमधील मोठ्या फरकामुळे बाँडमधील महत्त्वपूर्ण आयनिक वर्ण होतो. परिणामी,GaNविशेषत: वुर्टझाईट संरचनेत स्फटिक बनते, जे उच्च थर्मल स्थिरता आणि रासायनिक गंज प्रतिरोधकतेसाठी ओळखले जाते.

चे फायदेGaNपूर्वीच्या सेमीकंडक्टर सामग्रीवर

पहिल्या आणि दुसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर सामग्रीच्या तुलनेत,GaNअत्याधुनिक ऍप्लिकेशन्ससाठी ते विशेषतः आकर्षक बनवणारे अनेक फायदे देते. सर्वात लक्षणीय फायद्यांपैकी एक म्हणजे त्याचा विस्तृत बँडगॅप आहे, ज्यामुळे GaN-आधारित उपकरणे तुटल्याशिवाय उच्च व्होल्टेज आणि तापमानात ऑपरेट करू शकतात. हे पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी GaN एक उत्कृष्ट सामग्री बनवते, जिथे कार्यक्षमता आणि थर्मल व्यवस्थापन या गंभीर समस्या आहेत. याव्यतिरिक्त, GaN मध्ये कमी डायलेक्ट्रिक स्थिरांक असतो, ज्यामुळे कॅपेसिटन्स कमी होण्यास आणि ट्रान्झिस्टरमध्ये वेगवान स्विचिंग गती सक्षम करण्यात मदत होते.

GaNउच्च क्रिटिकल इलेक्ट्रिक फील्ड सामर्थ्य देखील प्रदान करते, ज्यामुळे उपकरणांना ब्रेकडाउनचा अनुभव न घेता मोठे इलेक्ट्रिक फील्ड हाताळता येते. हे विशेषतः उच्च-शक्ती अनुप्रयोगांमध्ये महत्वाचे आहे, जेथे उच्च व्होल्टेज आणि प्रवाह व्यवस्थापित करण्याची क्षमता आवश्यक आहे. शिवाय, GaN ची उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता उच्च-फ्रिक्वेंसी ऍप्लिकेशन्स, जसे की RF आणि मायक्रोवेव्ह उपकरणांसाठी योग्यतेमध्ये योगदान देते. या गुणधर्मांचे संयोजन-उच्च थर्मल चालकता, उच्च तापमान प्रतिरोधकता आणि रेडिएशन कडकपणा- GaN ला एक बहुमुखी सामग्री बनवते जी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या पुढील पिढीमध्ये महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावण्यासाठी तयार आहे.

GaNआधुनिक अनुप्रयोग आणि भविष्यातील संभावनांमध्ये

चे अद्वितीय गुणधर्मGaNआधीच अनेक उद्योगांमध्ये क्रांती करण्यास सुरुवात केली आहे. ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये, पारंपारिक सिलिकॉन-आधारित चार्जरच्या तुलनेत GaN-आधारित जलद चार्जर त्यांच्या कार्यक्षमतेमुळे आणि कॉम्पॅक्ट आकारामुळे अधिक लोकप्रिय होत आहेत. दूरसंचार क्षेत्रात, GaN चा वापर उच्च-फ्रिक्वेंसी ट्रान्झिस्टर विकसित करण्यासाठी केला जात आहे जे 5G नेटवर्क आणि त्यापुढील नेटवर्कसाठी आवश्यक आहेत. एरोस्पेस आणि संरक्षण क्षेत्र देखील उच्च-शक्तीच्या रडार आणि दळणवळण प्रणालींमध्ये वापरण्यासाठी GaN च्या संभाव्यतेचा शोध घेत आहेत, जेथे अत्यंत परिस्थितीत काम करण्याची त्याची क्षमता अमूल्य आहे.