گان تک کریستال

فن آوری نیمه هادی ستون فقرات تمدن مدرن بوده است و اساساً نحوه زندگی، کار و تعامل ما با جهان را متحول کرده است. این امر باعث پیشرفت های بی سابقه ای در زمینه های مختلف از جمله فناوری اطلاعات، انرژی، مخابرات و مراقبت های بهداشتی شده است. از ریزپردازنده‌هایی که تلفن‌های هوشمند و رایانه‌های ما را تغذیه می‌کنند، تا حسگرها در دستگاه‌های پزشکی، و الکترونیک قدرت در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر، نیمه‌رساناها هسته اصلی تقریباً هر نوآوری فناوری در قرن گذشته هستند.

نسل اول نیمه هادی ها: ژرمانیوم و سیلیکون

تاریخچه فناوری نیمه هادی ها با اولین نسل نیمه هادی ها، عمدتاً ژرمانیوم (Ge) و سیلیکون (Si) آغاز شد. این مواد نیمه هادی های عنصری هستند، یعنی از یک عنصر تشکیل شده اند. سیلیکون، به طور خاص، به دلیل فراوانی، مقرون به صرفه بودن و خواص الکترونیکی عالی، پرکاربردترین ماده نیمه هادی بوده است. فناوری مبتنی بر سیلیکون طی دهه‌ها به بلوغ رسیده و منجر به توسعه مدارهای مجتمع (IC) شده است که پایه و اساس الکترونیک مدرن را تشکیل می‌دهند. توانایی سیلیکون برای تشکیل یک لایه اکسیدی پایدار و با کیفیت (دی اکسید سیلیکون) یک عامل حیاتی در موفقیت دستگاه های نیمه هادی اکسید فلزی (MOS) بوده است که بلوک های سازنده اکثر الکترونیک دیجیتال هستند.

نسل دوم نیمه هادی ها: آرسنید گالیم و فسفید ایندیم

با تکامل تکنولوژی، محدودیت های سیلیکون، به ویژه در کاربردهای با سرعت بالا و فرکانس بالا، آشکار شد. این منجر به توسعه نسل دوم نیمه هادی ها شد که شامل نیمه هادی های ترکیبی مانند آرسنید گالیم (GaAs) و فسفید ایندیم (InP) می شود. این مواد به دلیل تحرک الکترون برتر و فاصله باند مستقیم خود شناخته می شوند، که آنها را برای دستگاه های الکترونیک نوری مانند دیودهای ساطع نور (LED)، دیودهای لیزری و ترانزیستورهای فرکانس بالا ایده آل می کند. به عنوان مثال، GaAs به طور گسترده در سیستم های ارتباطی امواج مایکروویو و میلی متری، و همچنین در فناوری های ماهواره ای و رادار استفاده می شود. علیرغم مزایای آنها، پذیرش گسترده GaAs و InP به دلیل هزینه ها و چالش های بالاتر در تولید محدود شده است.

نسل سوم نیمه هادی ها:سیلیکون کاربیدونیترید گالیوم

در سال های اخیر، تمرکز به نسل سوم نیمه هادی ها، که شامل موادی مانندکاربید سیلیکون (SiC)ونیترید گالیم (GaN). این مواد دارای شکاف باند وسیعی هستند، به این معنی که می توانند در ولتاژها، دماها و فرکانس های بالاتری نسبت به نمونه های قبلی خود کار کنند.GaNبه ویژه، به دلیل خواص استثنایی خود، از جمله شکاف باند وسیع 3.4 eV، تحرک الکترون بالا، ولتاژ شکست بالا، و هدایت حرارتی عالی، توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است. این ویژگی ها می سازندGaNیک کاندید ایده آل برای کاربردهای پرقدرت و فرکانس بالا، مانند شارژرهای سریع، ترانزیستورهای قدرت و دستگاه های مایکروویو فرکانس رادیویی (RF).

ساختار کریستالی و پیوند درGaN

GaNمتعلق به گروه III-V نیمه هادی های مرکب است که از عناصر گروه III (به عنوان مثال، گالیوم) و گروه V (مثلاً نیتروژن) جدول تناوبی تشکیل شده است. ساختار کریستالی ازGaNمی تواند به دو شکل اصلی وجود داشته باشد: وورتزیت شش ضلعی و اسفالریت مکعبی. نوع ساختار بلوری که تشکیل می شود تحت تأثیر ماهیت پیوندهای شیمیایی بین اتم ها است. در ترکیبات نیمه هادی، پیوند می تواند ترکیبی از پیوندهای کووالانسی و یونی باشد. هرچه پیوند یونی‌تر باشد، احتمال تشکیل ساختار ورتزیتی از مواد بیشتر می‌شود. در موردGaN، تفاوت زیاد در الکترونگاتیوی بین گالیم (Ga) و نیتروژن (N) منجر به یک ویژگی یونی قابل توجهی در پیوند می شود. در نتیجه،GaNمعمولاً در ساختار wurtzite متبلور می شود که به دلیل پایداری حرارتی بالا و مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی شناخته شده است.

مزایایGaNبیش از مواد نیمه هادی قبلی

در مقایسه با مواد نیمه هادی نسل اول و دوم،GaNچندین مزیت را ارائه می دهد که آن را به ویژه برای کاربردهای پیشرفته جذاب می کند. یکی از مهم‌ترین مزایا، فاصله باند وسیع آن است که به دستگاه‌های مبتنی بر GaN اجازه می‌دهد در ولتاژها و دماهای بالاتر بدون خرابی کار کنند. این موضوع GaN را به یک ماده عالی برای الکترونیک قدرت تبدیل می‌کند، جایی که کارایی و مدیریت حرارتی نگرانی‌های حیاتی است. علاوه بر این، GaN دارای ثابت دی الکتریک پایین تری است که به کاهش ظرفیت خازنی و امکان سرعت سوئیچینگ سریع تر در ترانزیستورها کمک می کند.

GaNهمچنین دارای قدرت میدان الکتریکی بحرانی بالاتری است که به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا میدان‌های الکتریکی بزرگ‌تر را بدون تجربه خرابی مدیریت کنند. این امر به ویژه در کاربردهای توان بالا، که توانایی مدیریت ولتاژ و جریان بالا ضروری است، اهمیت دارد. علاوه بر این، تحرک بالای الکترون GaN به مناسب بودن آن برای کاربردهای فرکانس بالا، مانند دستگاه‌های RF و مایکروویو کمک می‌کند. ترکیبی از این ویژگی ها - هدایت حرارتی بالا، مقاومت در برابر دمای بالا و سختی تشعشع - GaN را به یک ماده همه کاره تبدیل می کند که نقش مهمی در نسل بعدی دستگاه های الکترونیکی دارد.

GaNدر برنامه های کاربردی مدرن و چشم انداز آینده

خواص منحصر به فرد ازGaNدر حال حاضر شروع به ایجاد انقلاب در چندین صنعت کرده اند. در لوازم الکترونیکی مصرفی، شارژرهای سریع مبتنی بر GaN به دلیل کارایی و اندازه جمع و جور در مقایسه با شارژرهای مبتنی بر سیلیکون سنتی به طور فزاینده ای محبوب می شوند. در حوزه ارتباطات از راه دور، GaN برای توسعه ترانزیستورهای فرکانس بالا استفاده می شود که برای شبکه های 5G و فراتر از آن ضروری هستند. بخش‌های هوافضا و دفاع نیز در حال بررسی پتانسیل GaN برای استفاده در سیستم‌های راداری و ارتباطی با قدرت بالا هستند، جایی که توانایی آن برای عملیات تحت شرایط شدید بسیار ارزشمند است.