پہلی نسل دوسری نسل تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد

سیمی کنڈکٹر مواد تین تبدیلی نسلوں کے ذریعے تیار ہوا ہے:

1st Gen (Si/Ge) نے جدید الیکٹرانکس کی بنیاد رکھی،

2nd Gen (GaAs/InP) نے معلوماتی انقلاب کو طاقت دینے کے لیے آپٹو الیکٹرانک اور ہائی فریکونسی رکاوٹوں کو توڑا،

3rd Gen (SiC/GaN) اب توانائی اور انتہائی ماحولیاتی چیلنجوں سے نمٹتا ہے، کاربن غیر جانبداری اور 6G دور کو فعال کرتا ہے۔

یہ پیشرفت مادی سائنس میں استعداد سے تخصص کی طرف ایک مثالی تبدیلی کو ظاہر کرتی ہے۔

1. پہلی نسل کے سیمی کنڈکٹرز: سیلیکون (Si) اور جرمینیم (Ge)

تاریخی پس منظر

1947 میں، بیل لیبز نے جرمینیئم ٹرانجسٹر ایجاد کیا، جس سے سیمی کنڈکٹر دور کا آغاز ہوا۔ 1950 کی دہائی تک، سلیکون نے اپنی مستحکم آکسائیڈ پرت (SiO₂) اور وافر قدرتی ذخائر کی وجہ سے آہستہ آہستہ جرمینیم کو مربوط سرکٹس (ICs) کی بنیاد کے طور پر بدل دیا۔

مادی خصوصیات

Ⅰبینڈ گیپ:

جرمینیم: 0.67eV (تنگ بینڈ گیپ، رساو کرنٹ کا خطرہ، اعلی درجہ حرارت کی خراب کارکردگی)۔

سیلیکون: 1.12eV (بالواسطہ بینڈ گیپ، منطقی سرکٹس کے لیے موزوں لیکن روشنی کے اخراج کے قابل نہیں)۔

Ⅱ،سلیکون کے فوائد:

قدرتی طور پر ایک اعلیٰ معیار کا آکسائیڈ (SiO₂) بناتا ہے، جس سے MOSFET تانے بانے کو قابل بناتا ہے۔

کم قیمت اور زمین سے بھرپور (~28% کرسٹل کمپوزیشن)۔

Ⅲ،حدود:

کم الیکٹران کی نقل و حرکت (صرف 1500 cm²/(V·s))، اعلی تعدد کی کارکردگی کو محدود کرتی ہے۔

کمزور وولٹیج/درجہ حرارت کی رواداری (زیادہ سے زیادہ آپریٹنگ درجہ حرارت ~150°C)۔

کلیدی ایپلی کیشنز

Ⅰ،انٹیگریٹڈ سرکٹس (ICs):

CPUs، میموری چپس (مثال کے طور پر، DRAM، NAND) اعلی انضمام کی کثافت کے لیے سلیکون پر انحصار کرتے ہیں۔

مثال: Intel's 4004 (1971)، پہلا تجارتی مائکرو پروسیسر، جس نے 10μm سلکان ٹیکنالوجی استعمال کی۔

Ⅱ،پاور ڈیوائسز:

ابتدائی thyristors اور کم وولٹیج MOSFETs (مثال کے طور پر، PC پاور سپلائی) سلکان پر مبنی تھے۔

چیلنجز اور فرسودہ پن

رساو اور تھرمل عدم استحکام کی وجہ سے جرمینیم کو مرحلہ وار ختم کر دیا گیا تھا۔ تاہم، آپٹو الیکٹرانکس اور ہائی پاور ایپلی کیشنز میں سلیکون کی حدود نے اگلی نسل کے سیمی کنڈکٹرز کی ترقی کی حوصلہ افزائی کی۔

2سیکنڈ جنریشن سیمی کنڈکٹرز: گیلیم آرسنائیڈ (GaAs) اور انڈیم فاسفائیڈ (InP)

ترقی کا پس منظر

1970-1980 کی دہائی کے دوران، موبائل کمیونیکیشن، آپٹیکل فائبر نیٹ ورکس، اور سیٹلائٹ ٹیکنالوجی جیسے ابھرتے ہوئے شعبوں نے اعلی تعدد اور موثر آپٹو الیکٹرانک مواد کی زبردست مانگ پیدا کی۔ اس نے براہ راست بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز جیسے GaAs اور InP کی ترقی کو آگے بڑھایا۔

مادی خصوصیات

بینڈ گیپ اور آپٹو الیکٹرانک کارکردگی:

GaAs: 1.42eV (براہ راست بینڈ گیپ، روشنی کے اخراج کو قابل بناتا ہے — لیزرز/ایل ای ڈی کے لیے مثالی)۔

InP: 1.34eV (لمبی طول موج کی ایپلی کیشنز کے لیے بہتر موزوں ہے، مثلاً 1550nm فائبر آپٹک مواصلات)۔

الیکٹران کی نقل و حرکت:

GaAs 8500 cm²/(V·s) حاصل کرتا ہے، جو سلیکون (1500 cm²/(V·s) سے کہیں زیادہ ہے، جو اسے GHz رینج سگنل پروسیسنگ کے لیے بہترین بناتا ہے۔

نقصانات

lٹوٹنے والے سبسٹریٹس: سلکان سے زیادہ مشکل GaAs ویفرز کی قیمت 10× زیادہ ہے۔

lکوئی مقامی آکسائیڈ نہیں: سلیکون کے SiO₂ کے برعکس، GaAs/InP میں مستحکم آکسائیڈز کی کمی ہے، جو کہ اعلی کثافت والے IC کی تعمیر میں رکاوٹ ہے۔

کلیدی ایپلی کیشنز

lآر ایف فرنٹ اینڈز:

موبائل پاور ایمپلیفائرز (PAs)، سیٹلائٹ ٹرانسسیور (جیسے، GaAs پر مبنی HEMT ٹرانزسٹرز)۔

lآپٹو الیکٹرانکس:

لیزر ڈایڈس (CD/DVD ڈرائیوز)، LEDs (سرخ/انفراریڈ)، فائبر آپٹک ماڈیولز (InP لیزر)۔

lخلائی شمسی خلیات:

GaAs خلیات 30% کارکردگی (بمقابلہ ~20% سلکان کے لیے) حاصل کرتے ہیں، سیٹلائٹ کے لیے اہم ہے۔ 

lتکنیکی رکاوٹیں

زیادہ قیمتیں GaAs/InP کو اعلی درجے کی ایپلی کیشنز تک محدود رکھتی ہیں، جو انہیں منطقی چپس میں سلکان کے غلبہ کو ختم کرنے سے روکتی ہیں۔

تھرڈ جنریشن سیمی کنڈکٹرز (وائیڈ-بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز): سلکان کاربائیڈ (SiC) اور گیلیم نائٹرائڈ (GaN)

ٹیکنالوجی ڈرائیورز

توانائی کا انقلاب: الیکٹرک گاڑیاں اور قابل تجدید توانائی گرڈ انضمام زیادہ موثر پاور ڈیوائسز کا مطالبہ کرتے ہیں۔

اعلی تعدد کی ضروریات: 5G مواصلات اور ریڈار سسٹم کو اعلی تعدد اور بجلی کی کثافت کی ضرورت ہوتی ہے۔

انتہائی ماحول: ایرو اسپیس اور صنعتی موٹر ایپلی کیشنز کو ایسے مواد کی ضرورت ہوتی ہے جو 200 ° C سے زیادہ درجہ حرارت کو برداشت کرنے کے قابل ہو۔

مادی خصوصیات

وسیع بینڈ گیپ کے فوائد:

lSiC: 3.26eV کا بینڈ گیپ، بریک ڈاؤن الیکٹرک فیلڈ کی طاقت 10× سلیکون کی، 10kV سے زیادہ وولٹیج کو برداشت کرنے کے قابل۔

lGaN: 3.4eV کا بینڈ گیپ، 2200 cm²/(V·s) کی الیکٹران کی نقل و حرکت، اعلی تعدد کی کارکردگی میں شاندار۔

تھرمل مینجمنٹ:

SiC کی تھرمل چالکتا 4.9 W/(cm·K) تک پہنچتی ہے، جو سلیکون سے تین گنا بہتر ہے، جو اسے اعلیٰ طاقت کے استعمال کے لیے مثالی بناتی ہے۔

مادی چیلنجز

SiC: سست سنگل کرسٹل نمو کے لیے 2000°C سے زیادہ درجہ حرارت کی ضرورت ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں ویفر کے نقائص اور زیادہ لاگت آتی ہے (6 انچ کا SiC ویفر سلکان سے 20× زیادہ مہنگا ہوتا ہے)۔

GaN: قدرتی سبسٹریٹ کا فقدان ہے، جس میں اکثر نیلم، SiC، یا سلکان سبسٹریٹس پر ہیٹروپیٹاکسی کی ضرورت ہوتی ہے، جس کی وجہ سے جعلی مماثلت کے مسائل پیدا ہوتے ہیں۔

کلیدی ایپلی کیشنز

پاور الیکٹرانکس:

EV انورٹرز (مثال کے طور پر، Tesla Model 3 SiC MOSFETs کا استعمال کرتا ہے، جس سے کارکردگی میں 5–10% اضافہ ہوتا ہے)۔

فاسٹ چارجنگ اسٹیشنز/اڈیپٹر (GaN ڈیوائسز 100W+ فاسٹ چارجنگ کو قابل بناتے ہیں جبکہ سائز کو 50% کم کرتے ہیں)۔

آر ایف ڈیوائسز:

5G بیس اسٹیشن پاور ایمپلیفائر (GaN-on-SiC PAs mmWave فریکوئنسی کو سپورٹ کرتے ہیں)۔

ملٹری ریڈار (GaN 5× GaAs کی طاقت کی کثافت پیش کرتا ہے)۔

آپٹو الیکٹرانکس:

UV LEDs (AlGaN مواد جو نس بندی اور پانی کے معیار کا پتہ لگانے میں استعمال ہوتا ہے)۔

صنعت کی حیثیت اور مستقبل کا آؤٹ لک

SiC ہائی پاور مارکیٹ پر حاوی ہے، آٹوموٹیو گریڈ ماڈیولز پہلے ہی بڑے پیمانے پر پیداوار میں ہیں، اگرچہ لاگتیں ایک رکاوٹ بنی ہوئی ہیں۔

GaN صارفین کے الیکٹرانکس (تیز چارجنگ) اور RF ایپلی کیشنز میں تیزی سے پھیل رہا ہے، 8 انچ ویفرز کی طرف منتقل ہو رہا ہے۔

ابھرتے ہوئے مواد جیسے گیلیم آکسائیڈ (Ga₂O₃، bandgap 4.8eV) اور ڈائمنڈ (5.5eV) سیمی کنڈکٹرز کی "چوتھی نسل" تشکیل دے سکتے ہیں، جو وولٹیج کی حد کو 20kV سے آگے بڑھاتے ہیں۔

سیمی کنڈکٹر نسلوں کا بقائے باہمی اور ہم آہنگی۔

تکمیلی، متبادل نہیں:

سیلیکون لاجک چپس اور کنزیومر الیکٹرانکس (عالمی سیمی کنڈکٹر مارکیٹ کا 95%) میں غالب رہتا ہے۔

GaAs اور InP اعلی تعدد اور آپٹو الیکٹرانک طاقوں میں مہارت رکھتے ہیں۔

SiC/GaN توانائی اور صنعتی استعمال میں ناقابل تبدیل ہیں۔

ٹیکنالوجی انضمام کی مثالیں:

GaN-on-Si: تیز چارجنگ اور RF ایپلی کیشنز کے لیے کم لاگت والے سلیکون سبسٹریٹس کے ساتھ GaN کو جوڑتا ہے۔

SiC-IGBT ہائبرڈ ماڈیولز: گرڈ کی تبدیلی کی کارکردگی کو بہتر بنائیں۔

مستقبل کے رجحانات:

متفاوت انضمام: کارکردگی اور لاگت کو متوازن کرنے کے لیے ایک ہی چپ پر مواد (مثلاً Si + GaN) کو ملانا۔

الٹرا وائیڈ بینڈ گیپ مواد (مثال کے طور پر، Ga₂O₃، ڈائمنڈ) الٹرا ہائی وولٹیج (>20kV) اور کوانٹم کمپیوٹنگ ایپلی کیشنز کو فعال کر سکتا ہے۔

متعلقہ پیداوار

GaAs لیزر ایپیٹیکسیل ویفر 4 انچ 6 انچ

12 انچ ایس آئی سی سبسٹریٹ سلکان کاربائیڈ پرائم گریڈ قطر 300 ملی میٹر بڑا سائز 4H-N ہائی پاور ڈیوائس گرمی کی کھپت کے لیے موزوں ہے