Gallium Nitride (GaN) ایپلی کیشنز کے فوائد اور نقصانات

جیسا کہ دنیا سیمی کنڈکٹرز میں نئے مواقع تلاش کر رہی ہے،گیلیم نائٹرائڈمستقبل کی طاقت اور RF ایپلی کیشنز کے لیے ایک ممکنہ امیدوار کے طور پر کھڑا ہے۔ تاہم، اس کے پیش کردہ تمام فوائد کے لیے، اسے اب بھی ایک بڑے چیلنج کا سامنا ہے۔ کوئی P-type (P-type) مصنوعات نہیں ہیں۔ GaN کو اگلا بڑا سیمی کنڈکٹر مواد کیوں کہا جاتا ہے، کیوں P-type GaN ڈیوائسز کی کمی ایک بڑی خرابی ہے، اور مستقبل کے ڈیزائنز کے لیے اس کا کیا مطلب ہے؟

الیکٹرانکس میں، پہلی الیکٹرانک ڈیوائسز کے مارکیٹ میں آنے کے بعد سے چار حقائق برقرار ہیں: انہیں جتنا ممکن ہو سکے چھوٹا ہونا چاہیے، جتنا سستا ہو، زیادہ سے زیادہ بجلی فراہم کرنا، اور زیادہ سے زیادہ بجلی استعمال کرنا۔ اس بات کو مدنظر رکھتے ہوئے کہ یہ تقاضے اکثر ایک دوسرے سے متصادم ہوتے ہیں، ایک کامل الیکٹرانک ڈیوائس بنانے کی کوشش کرنا جو ان چار تقاضوں کو پورا کر سکے، تھوڑا سا خواب ہے، لیکن اس نے انجینئرز کو اس کو پورا کرنے کے لیے ہر ممکن کوشش کرنے سے نہیں روکا۔

ان چار رہنما اصولوں کو استعمال کرتے ہوئے، انجینئروں نے مختلف قسم کے بظاہر ناممکن کاموں کو پورا کرنے میں کامیابی حاصل کی ہے، جس میں کمپیوٹر کمرہ کے سائز کے آلات سے چاول کے دانے سے چھوٹے چپس تک، اسمارٹ فونز جو وائرلیس مواصلات اور انٹرنیٹ تک رسائی کی اجازت دیتے ہیں، اور ورچوئل رئیلٹی سسٹمز۔ جسے اب میزبان کمپیوٹر سے آزادانہ طور پر پہنا اور استعمال کیا جا سکتا ہے۔ تاہم، جیسا کہ انجینئرز عام طور پر استعمال ہونے والے مواد جیسے سلیکون کی جسمانی حدود تک پہنچ رہے ہیں، آلات کو چھوٹا بنانا اور کم طاقت کا استعمال کرنا اب ناممکن ہوتا جا رہا ہے۔

نتیجے کے طور پر، محققین مسلسل نئے مواد کی تلاش کر رہے ہیں جو اس طرح کے عام مواد کو تبدیل کرنے کے قابل ہوسکتے ہیں اور چھوٹے آلات فراہم کرتے ہیں جو زیادہ مؤثر طریقے سے چلتے ہیں. Gallium nitride (GaN) ایک ایسا مواد ہے جس نے واضح وجوہات کی بناء پر سلیکون کے مقابلے میں بہت زیادہ توجہ مبذول کی ہے۔

GaNکی اعلی کارکردگی

سب سے پہلے، GaN سلکان کے مقابلے میں 1,000 گنا زیادہ موثر طریقے سے بجلی چلاتا ہے، جس سے اسے زیادہ کرنٹ پر کام کرنے کی اجازت ملتی ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ GaN ڈیوائسز زیادہ گرمی پیدا کیے بغیر نمایاں طور پر زیادہ پاور پر چل سکتی ہیں، اور اس طرح دی گئی طاقت کے لیے ان کو چھوٹا بنایا جا سکتا ہے۔

اگرچہ GaN کی تھرمل چالکتا سلکان کی نسبت قدرے کم ہے، لیکن اس کے تھرمل مینجمنٹ کے فوائد ہائی پاور الیکٹرانکس کے لیے نئی راہیں کھولتے ہیں۔ یہ خاص طور پر ان ایپلی کیشنز کے لیے اہم ہے جہاں جگہ بہت زیادہ ہے اور کولنگ سلوشنز کو کم سے کم کرنے کی ضرورت ہے، جیسے ایرو اسپیس اور آٹوموٹیو الیکٹرانکس، اور اعلی درجہ حرارت پر کارکردگی کو برقرار رکھنے کے لیے GaN ڈیوائسز کی صلاحیت سخت ماحولیاتی ایپلی کیشنز کے لیے ان کی صلاحیت کو مزید اجاگر کرتی ہے۔

دوم، GaN (3.4eV بمقابلہ 1.1eV) کا بڑا بینڈ گیپ ڈائی الیکٹرک بریک ڈاؤن سے پہلے زیادہ وولٹیج پر استعمال کی اجازت دیتا ہے۔ نتیجے کے طور پر، GaN نہ صرف زیادہ طاقت فراہم کرنے کے قابل ہے، بلکہ اعلی کارکردگی کو برقرار رکھتے ہوئے زیادہ وولٹیج پر ایسا کر سکتا ہے۔

اعلی الیکٹران کی نقل و حرکت بھی GaN کو اعلی تعدد پر استعمال کرنے کی اجازت دیتی ہے۔ یہ عنصر RF پاور ایپلی کیشنز کے لیے GaN کو اہم بناتا ہے جو GHz رینج سے اوپر کام کرتی ہیں (ایسی چیز جس کے ساتھ سلکان جدوجہد کرتا ہے)۔

تاہم، سلکان تھرمل چالکتا کے لحاظ سے GaN سے قدرے بہتر ہے، جس کا مطلب ہے کہ GaN ڈیوائسز میں سلیکون ڈیوائسز سے زیادہ تھرمل ضروریات ہوتی ہیں۔ نتیجے کے طور پر، تھرمل چالکتا کی کمی ہائی پاور پر کام کرتے وقت GaN ڈیوائسز کو سکڑنے کی صلاحیت کو محدود کرتی ہے (کیونکہ گرمی کو ختم کرنے کے لیے مواد کے بڑے ٹکڑوں کی ضرورت ہوتی ہے)۔

GaNکی اچیلز ہیل - کوئی پی قسم نہیں۔

ایسے سیمی کنڈکٹرز کا ہونا بہت اچھا ہے جو اعلی تعدد پر اعلی طاقت سے کام کر سکتے ہیں، لیکن GaN کے پیش کردہ تمام فوائد کے لیے، اس میں ایک بڑی خرابی ہے جو بہت سے ایپلی کیشنز میں سلیکون کو تبدیل کرنے کی اس کی صلاحیت کو شدید طور پر روکتی ہے: P-قسم کی کمی۔

بلاشبہ، ان نئے دریافت شدہ مواد کا ایک بنیادی مقصد کارکردگی کو ڈرامائی طور پر بڑھانا اور زیادہ طاقت اور وولٹیج کی حمایت کرنا ہے، اور اس میں کوئی شک نہیں کہ موجودہ GaN ٹرانزسٹر اسے حاصل کر سکتے ہیں۔ تاہم، جب کہ انفرادی GaN ٹرانزسٹر کچھ متاثر کن خصوصیات پیش کرتے ہیں، حقیقت یہ ہے کہ تمام موجودہ تجارتی GaN ڈیوائسز N- قسم کے ہیں ان کی انتہائی موثر ہونے کی صلاحیت سے سمجھوتہ کرتے ہیں۔

یہ سمجھنے کے لیے کہ ایسا کیوں ہے، ہمیں یہ دیکھنا ہوگا کہ NMOS اور CMOS منطق کیسے کام کرتی ہے۔ NMOS لاجک 1970 اور 1980 کی دہائی میں اس کے سادہ مینوفیکچرنگ عمل اور ڈیزائن کی وجہ سے ایک بہت مشہور ٹیکنالوجی تھی۔ N-type MOS ٹرانجسٹر کی پاور سپلائی اور ڈرین کے درمیان جڑے ایک واحد ریزسٹر کا استعمال کرتے ہوئے، اس ٹرانجسٹر کا گیٹ MOS ٹرانزسٹر کے ڈرین پر وولٹیج کو کنٹرول کرنے کے قابل ہوتا ہے، مؤثر طریقے سے غیر گیٹ کو نافذ کرتا ہے۔ جب دوسرے NMOS ٹرانزسٹروں کے ساتھ ملایا جائے تو، تمام منطقی اجزاء کو تخلیق کرنا ممکن ہے، بشمول AND, OR, XOR اور latches۔

تاہم، اگرچہ یہ تکنیک آسان ہے، لیکن یہ طاقت فراہم کرنے کے لیے ریزسٹروں کا استعمال کرتی ہے، جس کا مطلب ہے کہ جب NMOS ٹرانزسٹرز آن ہوتے ہیں تو ریزسٹروں پر بہت زیادہ طاقت ضائع ہوتی ہے۔ ایک گیٹ کے لیے، یہ بجلی کا نقصان کم سے کم ہے، لیکن چھوٹے 8-بٹ CPUs پر اسکیل کرنے پر بڑھ سکتا ہے، جو ڈیوائس کو گرم کر سکتا ہے اور ایک چپ پر فعال آلات کی تعداد کو محدود کر سکتا ہے۔