सबसे आम सेमीकंडक्टर क्या है? आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स पर सिलिकॉन की पकड़ के पीछे की कहानी

किसी भी इलेक्ट्रॉनिक्स प्रयोगशाला में जाएँ और पूछें कि कौन सी सामग्री इंजीनियरों को नियोजित रखती है, और आपको हर बार एक ही शब्द सुनाई देगा। सिलिकॉन. यह इतने लंबे समय से उत्तर है कि अब यह प्रश्न मुश्किल से ही पूछा जाता है। कैलिफ़ोर्निया का एक संपूर्ण क्षेत्र इसका नाम रखता है। दुनिया की सबसे बड़ी कंपनियाँ वस्तुतः और आर्थिक रूप से इसी पर बनी हैं। लेकिन सिलिकॉन इस स्थिति में नहीं पहुंचा क्योंकि किसी ने फैसला किया कि यह सबसे अच्छा अर्धचालक है जिसकी कल्पना की जा सकती है। यह अच्छी केमिस्ट्री, भाग्यशाली समय और उस तरह की औद्योगिक गति के संयोजन के माध्यम से वहां पहुंचा, जिसे एक बार शुरू होने के बाद उलटना लगभग असंभव है।

 

 

सेमीकंडक्टर

 

इसकी शुरुआत सिलिकॉन से नहीं हुई

पहला ट्रांजिस्टर सिलिकॉन का नहीं बना था। जब बार्डीन और ब्रैटन ने दिसंबर 1947 में बेल लैब्स में अपने उपकरण का प्रदर्शन किया, तो उनके सोने के संपर्कों के नीचे की सामग्री जर्मेनियम थी। इसके अच्छे कारण थे. शुरुआती सेमीकंडक्टर कार्य के लिए आवश्यक स्तरों तक जर्मेनियम को शुद्ध करना आसान था, और शोधकर्ताओं द्वारा उपयोग किए जा रहे वोल्टेज पर सिलिकॉन के मुकाबले इलेक्ट्रॉन अधिक स्वतंत्र रूप से इसके माध्यम से चले गए। यदि आप 1950 में एक भौतिक विज्ञानी होते और यह शर्त लगा रहे होते कि कौन सी सामग्री इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग पर हावी होगी, तो जर्मेनियम एक अनुचित विकल्प नहीं होता।

वैसे भी यह हार गया. और जिस तरह से यह खो गया वह इस बारे में कुछ महत्वपूर्ण बात बताता है कि तकनीक वास्तव में कैसे विकसित होती है, जो शायद ही कभी उस रास्ते पर होती है जो शुरुआत में सबसे अधिक आशाजनक लगती है।

जर्मेनियम का घातक दोष तापीय था। इसका बैंडगैप 0.67 इलेक्ट्रॉन वोल्ट पर बैठता है, जो इतना संकीर्ण है कि बढ़ते तापमान के कारण उपकरणों में करंट का रिसाव होने लगता है जिसे इंजीनियर आसानी से नियंत्रित नहीं कर सकते। एक जर्मेनियम ट्रांजिस्टर को सैन्य हार्डवेयर के एक टुकड़े के अंदर, या एक गर्म वैक्यूम ट्यूब के पास, या बस एक उपकरण में रखें जो एक घंटे से चल रहा था, और इसका व्यवहार बदल जाएगा। प्रयोगशाला में इस प्रकार की अप्रत्याशितता सहनीय है। किसी उत्पाद में यह सहन करने योग्य नहीं है.

 

कांच की एक परत जिसने विनिर्माण को बदल दिया

सिलिकॉन में 1.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट का बैंडगैप है, जिसने इसे सार्थक रूप से बेहतर तापीय स्थिरता प्रदान की है। सिलिकॉन पर बने उपकरण ऐसे तापमान पर विश्वसनीय रूप से चल सकते हैं जो जर्मेनियम के खराब होने का कारण बनता है। वह अकेले ही संतुलन साधने के लिए पर्याप्त हो सकता था। लेकिन सिलिकॉन का एक दूसरा लाभ था जिसकी किसी ने भी पूरी तरह से आशा नहीं की थी, और यह किसी भी अन्य चीज़ से अधिक महत्वपूर्ण साबित हुआ।

जब सिलिकॉन ऑक्सीजन के संपर्क में आता है तो इसकी सतह पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक पतली, कठोर, एक समान परत बन जाती है। सिलिकॉन डाइऑक्साइड विद्युत रूप से इन्सुलेटिंग, रासायनिक रूप से स्थिर है, और इसके नीचे सिलिकॉन से एक स्थिरता के साथ बंधता है जिसे नियंत्रित किया जा सकता है और पूरे वेफर में दोहराया जा सकता है। जब 1950 के दशक के उत्तरार्ध में इंजीनियर इस बात पर काम कर रहे थे कि एक सपाट सतह पर ट्रांजिस्टर कैसे बनाएं और उन्हें जमा धातु के साथ कैसे तारें, तो वह मूल ऑक्साइड परत आवश्यक घटक बन गई। यह घटकों के बीच इन्सुलेशन अवरोधक के रूप में कार्य करता था। आप इसे थर्मल तरीके से विकसित कर सकते हैं, इसमें एसिड से खिड़कियाँ खोद सकते हैं, इसके ऊपर नई परतें जमा कर सकते हैं, और यह सब उन विशेषताओं को परिभाषित करने के लिए पर्याप्त सटीकता के साथ कर सकते हैं जिन्हें आँख नहीं देख सकती।

जर्मेनियम में ऐसा कोई ऑक्साइड नहीं है। जर्मेनियम डाइऑक्साइड पानी में घुल जाता है और अर्धचालक प्रसंस्करण के लिए आवश्यक तापमान पर टूट जाता है। यह बेहतर इंजीनियरिंग के साथ हल करने योग्य समस्या नहीं थी। यह एक भौतिक संपत्ति थी, और इसने जर्मेनियम को उस विनिर्माण प्रक्रिया से प्रभावी रूप से अयोग्य घोषित कर दिया जिस पर उद्योग जुट रहा था।

सिलिकॉन पूरी तरह से इसलिए नहीं जीता कि वह क्या था, बल्कि इसलिए जीता कि उसने एक निर्माण वातावरण के अंदर क्या किया। समतल प्रक्रिया के लिए स्थिर, बढ़ने योग्य ऑक्साइड वाली सामग्री की आवश्यकता होती है। सिलिकॉन के पास एक था। बाकी सब कुछ उसके बाद हुआ।

 

दुनिया के नब्बे प्रतिशत वेफर्स कैसे दिखते हैं

अब वैश्विक स्तर पर उत्पादित सभी सेमीकंडक्टर वेफर्स में सिलिकॉन की हिस्सेदारी नब्बे प्रतिशत से अधिक है। यह आपके लैपटॉप में प्रोसेसर, आपके फोन में मेमोरी, आपके कैमरे में इमेज सेंसर, आपके रेफ्रिजरेटर के कंप्रेसर नियंत्रक में पावर ट्रांजिस्टर और बढ़ती संख्या में छतों पर जाने वाले सौर कोशिकाओं के लिए सब्सट्रेट है। इसकी उपस्थिति की व्यापकता को बढ़ा-चढ़ाकर बताना कठिन है।

जो इसे कायम रखता है उसका एक हिस्सा सरासर औद्योगिक पैमाना है। एक आधुनिक सिलिकॉन वेफर फैब्रिकेशन प्लांट को बनाने में लगभग दस से बीस अरब डॉलर की लागत आती है, और इसके अंदर प्रत्येक उपकरण, प्रत्येक रासायनिक प्रक्रिया, प्रत्येक गुणवत्ता नियंत्रण प्रक्रिया, विशेष रूप से सिलिकॉन को ध्यान में रखते हुए दशकों से विकसित और परिष्कृत की गई है। फोटोरेसिस्ट सिलिकॉन के लिए तैयार किए गए हैं। ईच केमिस्ट्री को सिलिकॉन के लिए ट्यून किया गया है। इंजीनियर सिलिकॉन जानते हैं।

उद्योग के बाहर के अधिकांश लोग सहायक बुनियादी ढांचे के बारे में नहीं सोचते हैं जो फैब रन बनाता है। सेमीकंडक्टर निर्माण सावधानीपूर्वक नियंत्रित वितरण प्रणालियों के माध्यम से चलने वाले अल्ट्राप्योर पानी, प्रक्रिया गैसों और आक्रामक रासायनिक इत्यादि के निर्बाध प्रवाह पर निर्भर करता है। फ़ैब में प्रत्येक द्रव पथ, विआयनीकृत पानी के लूप से जो ऑक्साइड हटाने के लिए हाइड्रोफ्लोरोइक एसिड ले जाने वाली लाइनों के बीच वेफर्स को धोता है, ऐसे घटकों की आवश्यकता होती है जो प्रक्रिया को दूषित किए बिना संक्षारक मीडिया को संभाल सकते हैं। एस्टेनलेस स्टील बॉल वाल्वइन प्रणालियों में सबसे आम नियंत्रण बिंदुओं में से एक है, जिसका उपयोग लाइनों को अलग करने, प्रवाह को विनियमित करने और पूरे लूप को बंद किए बिना रखरखाव की अनुमति देने के लिए किया जाता है। सेमीकंडक्टर वातावरण में इन वाल्वों पर लागू स्वच्छता मानक अधिकांश अन्य उद्योगों की तुलना में काफी अधिक मांग वाले हैं, क्योंकि खराब निर्दिष्ट फिटिंग से धातु संदूषण का पता लगाने से भी पूरे वेफर बैच को बर्बाद किया जा सकता है। इस कारण से, फैब इंजीनियर रासायनिक वितरण प्रणाली में प्रत्येक स्टेनलेस स्टील बॉल वाल्व के चयन को उतनी ही गंभीरता से लेते हैं, जितनी गंभीरता से वे लाइन पर एकल वाल्व स्थापित होने से पहले प्रक्रिया उपकरण निर्दिष्ट करने, सामग्री प्रमाणन, सतह खत्म मानकों और निकालने योग्य संदूषक स्तरों की समीक्षा करते हैं।

यह उद्योग की वह परत है जो चिप्स और फैब्रिकेशन के कवरेज में शायद ही कभी दिखाई देती है, लेकिन यह लिथोग्राफी मशीनों की तरह ही आवश्यक है। जब लोग अर्धचालक आपूर्ति श्रृंखला के बारे में बात करते हैं कि इसे दोहराना या स्थानांतरित करना मुश्किल है, तो वे आंशिक रूप से इसके बारे में बात कर रहे हैं: प्रक्रिया में प्रत्येक घटक की संचित विशिष्टता, एक रासायनिक वितरण कैबिनेट के अंदर फिटिंग और प्रवाह नियंत्रण हार्डवेयर तक।

 

लीडटेक 2पीसी स्टेनलेस स्टील बॉल वाल्व

 

वे स्थान जहाँ सिलिकॉन सड़क से बाहर निकलता है

सिलिकॉन की वास्तविक सीमाएँ हैं, और कुछ अनुप्रयोगों में उन सीमाओं ने सैद्धांतिक चिंताएँ बनना बंद कर दिया है और वास्तविक इंजीनियरिंग समस्याएँ बनना शुरू कर दिया है।

गैलियम नाइट्राइड में 3.4 इलेक्ट्रॉन वोल्ट का बैंडगैप है, जो सिलिकॉन से तीन गुना अधिक है। वह व्यापक अंतर GaN ट्रांजिस्टर को उच्च वोल्टेज को अवरुद्ध करने, उच्च आवृत्तियों पर स्विच करने और तुलनीय आकार के सिलिकॉन डिवाइस की तुलना में अधिक प्रभावी ढंग से गर्मी को नष्ट करने देता है। वर्तमान स्मार्टफोन और लैपटॉप के साथ आने वाले फास्ट चार्जर सिलिकॉन के बजाय GaN पावर ट्रांजिस्टर का उपयोग करते हैं, यही कारण है कि वे साठ या सौ वाट की चार्जिंग क्षमता को इतनी छोटी चीज में फिट कर सकते हैं कि जैकेट की जेब में भूल जाएं। समान दक्षता पर समान कार्य करने के लिए सिलिकॉन को भौतिक रूप से बड़े उपकरण की आवश्यकता होगी। GaN एम्पलीफायर्स 5G बेस स्टेशन के बुनियादी ढांचे के लिए भी केंद्रीय हैं, जहां सिलिकॉन की आवृत्ति सीमाएं नरम दिशानिर्देश के बजाय एक कठोर छत बन जाती हैं।

सिलिकॉन कार्बाइड उच्च शक्ति स्तरों पर एक समान भूमिका निभाता है, खासकर जहां गर्मी हटाना बाध्यकारी बाधा है। इसकी तापीय चालकता सिलिकॉन की लगभग तीन गुना है, जो तब मायने रखती है जब आप एक इलेक्ट्रिक वाहन के इन्वर्टर के माध्यम से सैकड़ों किलोवाट का रूट कर रहे हों। कई प्रमुख निर्माताओं ने अपने ट्रैक्शन इनवर्टर को सिलिकॉन आईजीबीटी से सिलिकॉन कार्बाइड मॉड्यूल में स्थानांतरित कर दिया है, और दक्षता लाभ इतना वास्तविक रहा है कि ड्राइविंग रेंज के आंकड़ों में दिखाई दे सकता है।

इन दोनों के अलावा ऐसी सामग्रियां भी हैं जो काफी शोध रुचि पैदा करती हैं लेकिन अभी तक मुख्यधारा के उत्पादन में शामिल नहीं हुई हैं। गैलियम ऑक्साइड में पांच इलेक्ट्रॉन वोल्ट और सैद्धांतिक ब्रेकडाउन विशेषताओं के करीब एक बैंडगैप है जो इसे बहुत उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों में उपयोगी बना देगा, लेकिन बड़े पैमाने पर दोषमुक्त वेफर्स को बढ़ाने की तकनीक पर अभी भी काम किया जा रहा है। ग्राफीन की इलेक्ट्रॉन गतिशीलता सैद्धांतिक रूप से लगभग दो लाख वर्ग सेंटीमीटर प्रति वोल्ट -सेकंड है, एक संख्या जो सिलिकॉन के चौदह सौ को बौना कर देती है, और शोधकर्ता बीस वर्षों के बेहतर हिस्से के लिए उस संख्या की ओर इशारा कर रहे हैं जबकि व्यावहारिक ग्राफीन ट्रांजिस्टर जो वास्तव में एक वास्तविक सर्किट में सिलिकॉन के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं, काफी हद तक पहुंच से बाहर रहते हैं।

 

ईमानदार स्थिति

सिलिकॉन सबसे आम अर्धचालक है, और यह उद्योग में वर्तमान में काम करने वाले अधिकांश लोगों की तुलना में लंबे समय तक ऐसा ही रहेगा। GaN और SiC मोटे तौर पर सिलिकॉन को विस्थापित नहीं कर रहे हैं। वे बाजार के उन विशिष्ट कोनों को जीत रहे हैं जहां सिलिकॉन की भौतिकी वास्तव में पर्याप्त होना बंद हो गई है, और सिलिकॉन उन कोनों को बिना किसी लड़ाई के सौंप रहा है क्योंकि वहां का अर्थशास्त्र इसके खिलाफ हो गया है।

वास्तव में जो बदल रहा है वह कुछ अधिक सूक्ष्म है। सेमीकंडक्टर उद्योग के अधिकांश इतिहास के लिए, सिलिकॉन केवल सबसे आम सामग्री नहीं थी। यह कल्पित सामग्री थी, किसी भी डिज़ाइन वार्तालाप के लिए शुरुआती बिंदु, डिफ़ॉल्ट जिसे आप केवल तभी छोड़ते थे जब आपके पास असामान्य रूप से मजबूत कारण होता था। वह धारणा किनारों पर ढीली पड़ रही है। ढह नहीं रहा है, उखाड़ा नहीं जा रहा है, बस ढीला हो रहा है। सबसे आम अर्धचालक अभी भी सिलिकॉन है। सेमीकंडक्टर सामग्रियों में इस समय सबसे दिलचस्प सवाल यह है कि सिलिकॉन कहां स्पष्ट उत्तर बनना बंद कर देता है, और यह जो स्थान छोड़ता है उसे क्या भरता है।