সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলি তিনটি রূপান্তরকারী প্রজন্মের মধ্য দিয়ে বিকশিত হয়েছে:
প্রথম প্রজন্ম (Si/Ge) আধুনিক ইলেকট্রনিক্সের ভিত্তি স্থাপন করেছিলেন,
তথ্য বিপ্লবকে শক্তিশালী করার জন্য দ্বিতীয় প্রজন্মের (GaAs/InP) অপটোইলেকট্রনিক এবং উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি বাধা অতিক্রম করেছে,
তৃতীয় প্রজন্ম (SiC/GaN) এখন শক্তি এবং চরম-পরিবেশগত চ্যালেঞ্জ মোকাবেলা করে, কার্বন নিরপেক্ষতা এবং 6G যুগকে সক্ষম করে।
এই অগ্রগতি বহুমুখীতা থেকে বস্তুগত বিজ্ঞানে বিশেষীকরণের দিকে একটি দৃষ্টান্তমূলক পরিবর্তন প্রকাশ করে।
১. প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর: সিলিকন (Si) এবং জার্মেনিয়াম (Ge)
ঐতিহাসিক পটভূমি
১৯৪৭ সালে, বেল ল্যাবস জার্মেনিয়াম ট্রানজিস্টর আবিষ্কার করে, যা সেমিকন্ডাক্টর যুগের সূচনা করে। ১৯৫০ এর দশকের মধ্যে, স্থিতিশীল অক্সাইড স্তর (SiO₂) এবং প্রচুর প্রাকৃতিক মজুদের কারণে সিলিকন ধীরে ধীরে ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট (ICs) এর ভিত্তি হিসেবে জার্মেনিয়ামকে প্রতিস্থাপন করে।
উপাদান বৈশিষ্ট্য
Ⅰব্যান্ডগ্যাপ:
জার্মেনিয়াম: 0.67eV (সংকীর্ণ ব্যান্ডগ্যাপ, লিকেজ কারেন্টের ঝুঁকি, উচ্চ-তাপমাত্রার কর্মক্ষমতা কম)।
সিলিকন: 1.12eV (পরোক্ষ ব্যান্ডগ্যাপ, লজিক সার্কিটের জন্য উপযুক্ত কিন্তু আলো নির্গমনে অক্ষম)।
Ⅱ,সিলিকনের সুবিধা:
প্রাকৃতিকভাবে একটি উচ্চ-মানের অক্সাইড (SiO₂) তৈরি করে, যা MOSFET তৈরিকে সক্ষম করে।
কম খরচে এবং মাটিতে প্রচুর পরিমাণে (ভূকৃষ্ট গঠনের প্রায় ২৮%)।
Ⅲ,সীমাবদ্ধতা:
কম ইলেকট্রন গতিশীলতা (মাত্র ১৫০০ cm²/(V·s)), উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি কর্মক্ষমতা সীমিত করে।
দুর্বল ভোল্টেজ/তাপমাত্রা সহনশীলতা (সর্বোচ্চ অপারেটিং তাপমাত্রা ~150°C)।
মূল অ্যাপ্লিকেশন
Ⅰ,ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট (ICs):
সিপিইউ, মেমোরি চিপ (যেমন, ডিআরএএম, ন্যানড) উচ্চ ইন্টিগ্রেশন ঘনত্বের জন্য সিলিকনের উপর নির্ভর করে।
উদাহরণ: ইন্টেলের 4004 (1971), প্রথম বাণিজ্যিক মাইক্রোপ্রসেসর, 10μm সিলিকন প্রযুক্তি ব্যবহার করেছিল।
Ⅱ,পাওয়ার ডিভাইস:
প্রাথমিক থাইরিস্টর এবং কম-ভোল্টেজের MOSFET (যেমন, পিসি পাওয়ার সাপ্লাই) সিলিকন-ভিত্তিক ছিল।
চ্যালেঞ্জ এবং অপ্রচলিততা
লিকেজ এবং তাপীয় অস্থিরতার কারণে জার্মেনিয়াম পর্যায়ক্রমে বন্ধ করে দেওয়া হয়েছিল। তবে, অপটোইলেক্ট্রনিক্স এবং উচ্চ-শক্তি প্রয়োগে সিলিকনের সীমাবদ্ধতা পরবর্তী প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টরগুলির বিকাশকে উৎসাহিত করেছিল।
2দ্বিতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর: গ্যালিয়াম আর্সেনাইড (GaAs) এবং ইন্ডিয়াম ফসফাইড (InP)
উন্নয়নের পটভূমি
১৯৭০-৮০-এর দশকে, মোবাইল যোগাযোগ, অপটিক্যাল ফাইবার নেটওয়ার্ক এবং স্যাটেলাইট প্রযুক্তির মতো উদীয়মান ক্ষেত্রগুলি উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি এবং দক্ষ অপটোইলেকট্রনিক উপকরণের জন্য একটি জরুরি চাহিদা তৈরি করে। এটি GaAs এবং InP-এর মতো সরাসরি ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টরের অগ্রগতিকে ত্বরান্বিত করে।
উপাদান বৈশিষ্ট্য
ব্যান্ডগ্যাপ এবং অপটোইলেকট্রনিক পারফরম্যান্স:
GaAs: 1.42eV (সরাসরি ব্যান্ডগ্যাপ, আলো নির্গমন সক্ষম করে—লেজার/LED-এর জন্য আদর্শ)।
InP: 1.34eV (দীর্ঘ-তরঙ্গদৈর্ঘ্য অ্যাপ্লিকেশনের জন্য আরও উপযুক্ত, যেমন, 1550nm ফাইবার-অপটিক যোগাযোগ)।
ইলেকট্রন গতিশীলতা:
GaAs ৮৫০০ cm²/(V·s) অর্জন করে, যা সিলিকন (১৫০০ cm²/(V·s)) কে ছাড়িয়ে যায়, যা এটিকে GHz-রেঞ্জ সিগন্যাল প্রক্রিয়াকরণের জন্য সর্বোত্তম করে তোলে।
অসুবিধাগুলি
আমিভঙ্গুর স্তর: সিলিকনের তুলনায় তৈরি করা কঠিন; GaAs ওয়েফারের দাম ১০ গুণ বেশি।
আমিকোনও নেটিভ অক্সাইড নেই: সিলিকনের SiO₂ এর বিপরীতে, GaAs/InP-তে স্থিতিশীল অক্সাইডের অভাব থাকে, যা উচ্চ-ঘনত্বের IC তৈরিতে বাধা সৃষ্টি করে।
মূল অ্যাপ্লিকেশন
আমিআরএফ ফ্রন্ট-এন্ডস:
মোবাইল পাওয়ার অ্যামপ্লিফায়ার (PAs), স্যাটেলাইট ট্রান্সসিভার (যেমন, GaAs-ভিত্তিক HEMT ট্রানজিস্টর)।
আমিঅপটোইলেক্ট্রনিক্স:
লেজার ডায়োড (সিডি/ডিভিডি ড্রাইভ), এলইডি (লাল/ইনফ্রারেড), ফাইবার-অপটিক মডিউল (ইনপি লেজার)।
আমিমহাকাশ সৌর কোষ:
GaAs কোষগুলি ৩০% দক্ষতা অর্জন করে (সিলিকনের তুলনায় ~২০%), যা উপগ্রহের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
আমিপ্রযুক্তিগত বাধা
উচ্চ খরচ GaAs/InP-কে উচ্চমানের অ্যাপ্লিকেশনের মধ্যে সীমাবদ্ধ রাখে, যা লজিক চিপগুলিতে সিলিকনের আধিপত্যকে স্থানচ্যুত করতে বাধা দেয়।
তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর (ওয়াইড-ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর): সিলিকন কার্বাইড (SiC) এবং গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN)
প্রযুক্তি চালক
জ্বালানি বিপ্লব: বৈদ্যুতিক যানবাহন এবং নবায়নযোগ্য জ্বালানি গ্রিড ইন্টিগ্রেশনের জন্য আরও দক্ষ বিদ্যুৎ ডিভাইসের প্রয়োজন।
উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি চাহিদা: 5G যোগাযোগ এবং রাডার সিস্টেমের জন্য উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি এবং পাওয়ার ঘনত্ব প্রয়োজন।
চরম পরিবেশ: মহাকাশ এবং শিল্প মোটর অ্যাপ্লিকেশনের জন্য এমন উপকরণের প্রয়োজন হয় যা 200°C এর বেশি তাপমাত্রা সহ্য করতে সক্ষম।
উপাদান বৈশিষ্ট্য
প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপের সুবিধা:
আমিSiC: ব্যান্ডগ্যাপ 3.26eV, ব্রেকডাউন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের শক্তি সিলিকনের তুলনায় 10×, 10kV এর বেশি ভোল্টেজ সহ্য করতে সক্ষম।
আমিGaN: ব্যান্ডগ্যাপ 3.4eV, ইলেকট্রন গতিশীলতা 2200 cm²/(V·s), উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি কর্মক্ষমতায় উৎকৃষ্ট।
তাপ ব্যবস্থাপনা:
SiC এর তাপ পরিবাহিতা 4.9 W/(cm·K) এ পৌঁছায়, যা সিলিকনের চেয়ে তিনগুণ ভালো, যা এটিকে উচ্চ-শক্তি প্রয়োগের জন্য আদর্শ করে তোলে।
উপাদানগত চ্যালেঞ্জ
SiC: ধীর একক-স্ফটিক বৃদ্ধির জন্য ২০০০°C এর বেশি তাপমাত্রার প্রয়োজন হয়, যার ফলে ওয়েফার ত্রুটি দেখা দেয় এবং খরচ বেশি হয় (৬-ইঞ্চি SiC ওয়েফার সিলিকনের চেয়ে ২০× বেশি ব্যয়বহুল)।
GaN: প্রাকৃতিক স্তরের অভাব রয়েছে, প্রায়শই নীলকান্তমণি, SiC, বা সিলিকন স্তরগুলিতে হেটেরোএপিট্যাক্সির প্রয়োজন হয়, যার ফলে জালির অমিলের সমস্যা দেখা দেয়।
মূল অ্যাপ্লিকেশন
পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স:
ইভি ইনভার্টার (যেমন, টেসলা মডেল 3 SiC MOSFET ব্যবহার করে, যার ফলে দক্ষতা 5-10% বৃদ্ধি পায়)।
দ্রুত চার্জিং স্টেশন/অ্যাডাপ্টার (GaN ডিভাইসগুলি ১০০ ওয়াট+ দ্রুত চার্জিং সক্ষম করে এবং আকার ৫০% কমায়)।
আরএফ ডিভাইস:
5G বেস স্টেশন পাওয়ার অ্যামপ্লিফায়ার (GaN-on-SiC PA গুলি mmWave ফ্রিকোয়েন্সি সমর্থন করে)।
মিলিটারি রাডার (GaN GaAs এর পাওয়ার ঘনত্বের 5× অফার করে)।
অপটোইলেক্ট্রনিক্স:
UV LEDs (জীবাণুমুক্তকরণ এবং জলের গুণমান সনাক্তকরণে ব্যবহৃত AlGaN উপকরণ)।
শিল্পের অবস্থা এবং ভবিষ্যতের দৃষ্টিভঙ্গি
উচ্চ-শক্তির বাজারে SiC আধিপত্য বিস্তার করে, অটোমোটিভ-গ্রেড মডিউলগুলি ইতিমধ্যেই ব্যাপক উৎপাদনে রয়েছে, যদিও খরচ এখনও একটি বাধা।
GaN দ্রুত কনজিউমার ইলেকট্রনিক্স (দ্রুত চার্জিং) এবং RF অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে সম্প্রসারণ করছে, 8-ইঞ্চি ওয়েফারের দিকে অগ্রসর হচ্ছে।
গ্যালিয়াম অক্সাইড (Ga₂O₃, ব্যান্ডগ্যাপ 4.8eV) এবং হীরা (5.5eV) এর মতো উদীয়মান উপকরণগুলি "চতুর্থ প্রজন্ম" সেমিকন্ডাক্টর তৈরি করতে পারে, যা ভোল্টেজ সীমা 20kV ছাড়িয়ে যায়।
সেমিকন্ডাক্টর প্রজন্মের সহাবস্থান এবং সমন্বয়
পরিপূরকতা, প্রতিস্থাপন নয়:
লজিক চিপস এবং কনজিউমার ইলেকট্রনিক্সে (বিশ্বব্যাপী সেমিকন্ডাক্টর বাজারের ৯৫%) সিলিকনের প্রাধান্য রয়ে গেছে।
GaAs এবং InP উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি এবং অপটোইলেকট্রনিক নিশে বিশেষজ্ঞ।
শক্তি এবং শিল্প প্রয়োগে SiC/GaN অপরিবর্তনীয়।
প্রযুক্তি ইন্টিগ্রেশনের উদাহরণ:
GaN-on-Si: দ্রুত চার্জিং এবং RF অ্যাপ্লিকেশনের জন্য কম দামের সিলিকন সাবস্ট্রেটের সাথে GaN কে একত্রিত করে।
SiC-IGBT হাইব্রিড মডিউল: গ্রিড রূপান্তর দক্ষতা উন্নত করুন।
ভবিষ্যতের প্রবণতা:
ভিন্নধর্মী একীকরণ: কর্মক্ষমতা এবং খরচের ভারসাম্য বজায় রাখার জন্য একটি একক চিপে উপকরণ (যেমন, Si + GaN) একত্রিত করা।
অতি-প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ উপকরণ (যেমন, Ga₂O₃, হীরা) অতি-উচ্চ-ভোল্টেজ (>20kV) এবং কোয়ান্টাম কম্পিউটিং অ্যাপ্লিকেশন সক্ষম করতে পারে।
সম্পর্কিত উৎপাদন
GaAs লেজার এপিট্যাক্সিয়াল ওয়েফার ৪ ইঞ্চি ৬ ইঞ্চি
১২ ইঞ্চি SIC সাবস্ট্রেট সিলিকন কার্বাইড প্রাইম গ্রেড ব্যাস ৩০০ মিমি বড় আকার ৪H-N উচ্চ শক্তি ডিভাইস তাপ অপচয়ের জন্য উপযুক্ত
পোস্টের সময়: মে-০৭-২০২৫