গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN) অ্যাপ্লিকেশনের সুবিধা এবং অসুবিধা

যেহেতু বিশ্ব সেমিকন্ডাক্টরগুলিতে নতুন সুযোগের সন্ধান করছে,গ্যালিয়াম নাইট্রাইডভবিষ্যতে ক্ষমতা এবং RF অ্যাপ্লিকেশনের জন্য একটি সম্ভাব্য প্রার্থী হিসাবে স্ট্যান্ড আউট অব্যাহত. যাইহোক, এটি অফার করে এমন সমস্ত সুবিধার জন্য, এটি এখনও একটি বড় চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি; কোন পি-টাইপ (পি-টাইপ) পণ্য নেই। কেন GaN কে পরবর্তী প্রধান সেমিকন্ডাক্টর উপাদান হিসাবে চিহ্নিত করা হয়, কেন P-টাইপ GaN ডিভাইসের অভাব একটি বড় অপূর্ণতা এবং ভবিষ্যতের ডিজাইনের জন্য এর অর্থ কী?

ইলেকট্রনিক্সে, প্রথম ইলেকট্রনিক ডিভাইসগুলি বাজারে আসার পর থেকে চারটি ঘটনা টিকে আছে: সেগুলি যতটা সম্ভব ছোট হতে হবে, যতটা সম্ভব সস্তা, যতটা সম্ভব শক্তি সরবরাহ করতে হবে এবং যতটা সম্ভব কম শক্তি ব্যবহার করতে হবে। এই প্রয়োজনীয়তাগুলি প্রায়শই একে অপরের বিরোধিতা করে, এই চারটি প্রয়োজনীয়তা পূরণ করতে পারে এমন নিখুঁত ইলেকট্রনিক ডিভাইস তৈরি করার চেষ্টা করা একটি পাইপ স্বপ্নের মতো, কিন্তু এটি ইঞ্জিনিয়ারদের এটি ঘটানোর জন্য তাদের যা কিছু করতে পারে তা করা থেকে বিরত করেনি।

এই চারটি পথনির্দেশক নীতি ব্যবহার করে, প্রকৌশলীরা বিভিন্ন ধরনের আপাতদৃষ্টিতে অসম্ভব কাজ সম্পন্ন করতে সফল হয়েছেন, কম্পিউটারগুলি ঘরের আকারের ডিভাইস থেকে চালের দানার চেয়ে ছোট চিপস, স্মার্টফোন যা বেতার যোগাযোগ এবং ইন্টারনেটে অ্যাক্সেসের অনুমতি দেয় এবং ভার্চুয়াল রিয়েলিটি সিস্টেমের সাথে। যেটি এখন হোস্ট কম্পিউটার থেকে স্বাধীনভাবে পরা এবং ব্যবহার করা যেতে পারে। যাইহোক, প্রকৌশলীরা সিলিকনের মতো সাধারণভাবে ব্যবহৃত উপকরণগুলির শারীরিক সীমার কাছে যাওয়ার সাথে সাথে ডিভাইসগুলিকে ছোট করা এবং কম শক্তি ব্যবহার করা এখন অসম্ভব হয়ে উঠছে।

ফলস্বরূপ, গবেষকরা ক্রমাগত নতুন উপকরণগুলির জন্য অনুসন্ধান করছেন যা এই জাতীয় সাধারণ উপকরণগুলি প্রতিস্থাপন করতে সক্ষম হতে পারে এবং আরও দক্ষতার সাথে চালানো ছোট ডিভাইসগুলি সরবরাহ করা চালিয়ে যেতে পারে। গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN) একটি উপাদান যা সুস্পষ্ট কারণে সিলিকনের তুলনায় অনেক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে।

GaNএর উচ্চতর দক্ষতা

প্রথমত, GaN সিলিকনের চেয়ে 1,000 গুণ বেশি দক্ষতার সাথে বিদ্যুৎ সঞ্চালন করে, এটি উচ্চ স্রোতে কাজ করতে দেয়। এর মানে হল যে GaN ডিভাইসগুলি বেশি তাপ উৎপন্ন না করে উল্লেখযোগ্যভাবে উচ্চ শক্তিতে চলতে পারে এবং এইভাবে একই প্রদত্ত শক্তির জন্য ছোট করা যেতে পারে।

যদিও GaN এর তাপ পরিবাহিতা সিলিকনের তুলনায় সামান্য কম, তবে এর তাপ ব্যবস্থাপনার সুবিধা উচ্চ-শক্তি ইলেকট্রনিক্সের জন্য নতুন পথ খুলে দেয়। এটি এমন অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য বিশেষভাবে গুরুত্বপূর্ণ যেখানে স্থান একটি প্রিমিয়ামে রয়েছে এবং শীতল সমাধানগুলিকে ন্যূনতম করা প্রয়োজন, যেমন মহাকাশ এবং স্বয়ংচালিত ইলেকট্রনিক্স, এবং উচ্চ তাপমাত্রায় পারফরম্যান্স বজায় রাখার জন্য GaN ডিভাইসগুলির ক্ষমতা কঠোর পরিবেশের অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য তাদের সম্ভাবনাকে আরও হাইলাইট করে৷

দ্বিতীয়ত, GaN এর বৃহত্তর ব্যান্ডগ্যাপ (3.4eV বনাম 1.1eV) ডাইইলেকট্রিক ব্রেকডাউনের আগে উচ্চ ভোল্টেজে ব্যবহারের অনুমতি দেয়। ফলস্বরূপ, GaN কেবলমাত্র বেশি শক্তি সরবরাহ করতে সক্ষম নয়, তবে উচ্চতর দক্ষতা বজায় রেখে উচ্চ ভোল্টেজে তা করতে পারে।

উচ্চ ইলেকট্রন গতিশীলতা উচ্চতর ফ্রিকোয়েন্সিতে GaN ব্যবহার করার অনুমতি দেয়। এই ফ্যাক্টরটি আরএফ পাওয়ার অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য GaN কে সমালোচনামূলক করে তোলে যেগুলি GHz পরিসরের উপরে কাজ করে (এমন কিছু যা সিলিকনের সাথে লড়াই করে)।

যাইহোক, সিলিকন তাপ পরিবাহিতার পরিপ্রেক্ষিতে GaN-এর তুলনায় কিছুটা ভাল, যার মানে হল যে GaN ডিভাইসের সিলিকন ডিভাইসের তুলনায় তাপীয় প্রয়োজনীয়তা বেশি। ফলস্বরূপ, তাপ পরিবাহিতার অভাব উচ্চ শক্তিতে কাজ করার সময় GaN ডিভাইসগুলিকে সঙ্কুচিত করার ক্ষমতাকে সীমিত করে (কারণ তাপ নষ্ট করার জন্য প্রচুর পরিমাণে উপাদানের প্রয়োজন হয়)।

GaNএর অ্যাকিলিস হিল - পি-টাইপ নেই

উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সিতে উচ্চ শক্তিতে কাজ করতে পারে এমন সেমিকন্ডাক্টর থাকা দুর্দান্ত, তবে GaN যে সমস্ত সুবিধা দেয় তার জন্য একটি বড় ত্রুটি রয়েছে যা অনেক অ্যাপ্লিকেশনে সিলিকন প্রতিস্থাপন করার ক্ষমতাকে মারাত্মকভাবে বাধা দেয়: P-টাইপের অভাব।

তর্কাতীতভাবে, এই নতুন আবিষ্কৃত উপকরণগুলির প্রধান লক্ষ্যগুলির মধ্যে একটি হল নাটকীয়ভাবে দক্ষতা বৃদ্ধি করা এবং উচ্চ শক্তি এবং ভোল্টেজকে সমর্থন করা এবং বর্তমান GaN ট্রানজিস্টরগুলি এটি অর্জন করতে পারে তাতে কোন সন্দেহ নেই। যাইহোক, যদিও স্বতন্ত্র GaN ট্রানজিস্টরগুলি কিছু চিত্তাকর্ষক বৈশিষ্ট্য অফার করে, এই সত্য যে সমস্ত বর্তমান বাণিজ্যিক GaN ডিভাইসগুলি এন-টাইপ তাদের অত্যন্ত দক্ষ হওয়ার ক্ষমতাকে আপস করে।

কেন এমন হয় তা বোঝার জন্য, NMOS এবং CMOS লজিক কীভাবে কাজ করে তা আমাদের দেখতে হবে। এনএমওএস লজিক 1970 এবং 1980 এর দশকে একটি খুব জনপ্রিয় প্রযুক্তি ছিল এর সহজ উত্পাদন প্রক্রিয়া এবং নকশার কারণে। একটি এন-টাইপ এমওএস ট্রানজিস্টরের পাওয়ার সাপ্লাই এবং ড্রেনের মধ্যে সংযুক্ত একটি একক প্রতিরোধক ব্যবহার করে, সেই ট্রানজিস্টরের গেটটি এমওএস ট্রানজিস্টরের ড্রেনে ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণ করতে সক্ষম হয়, কার্যকরভাবে একটি নন-গেট বাস্তবায়ন করে। অন্যান্য NMOS ট্রানজিস্টরের সাথে একত্রিত হলে, AND, OR, XOR এবং latches সহ সমস্ত লজিক উপাদান তৈরি করা সম্ভব।

যাইহোক, যদিও এই কৌশলটি সহজ, তবে এটি শক্তি সরবরাহ করতে প্রতিরোধক ব্যবহার করে, যার মানে হল যে NMOS ট্রানজিস্টরগুলি চালু থাকা অবস্থায় প্রতিরোধকগুলিতে প্রচুর শক্তি নষ্ট হয়। একটি একক গেটের জন্য, এই পাওয়ার লস ন্যূনতম, কিন্তু ছোট 8-বিট CPU-তে স্কেলিং করার সময় বাড়তে পারে, যা ডিভাইসটিকে গরম করতে পারে এবং একটি একক চিপে সক্রিয় ডিভাইসের সংখ্যা সীমিত করতে পারে।