वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर

व्यापक-बैंडगैप अर्धचालक, (WBG अर्धचालक या WBGSs के रूप में भी जाना जाता है) अर्धचालक सामग्री होते हैं जिनमें पारंपरिक अर्धचालक की तुलना में बड़ा ऊर्जा अंतराल होता है। सिलिकॉन जैसे पारंपरिक अर्धचालकों में 0.6 – 1.5  इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) की सीमा में बैंडगैप होता है जबकि व्यापक-बैंडगैप सामग्री में 2 eV से ऊपर की सीमा में बैंडगैप होता है। सामान्य रूप से व्यापक-बैंडगैप अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं जो परंपरागत अर्धचालकों और इन्सुलेटर (बिजली) के मध्य आते हैं।

व्यापक-बैंडगैप अर्धचालक उपकरणों को सिलिकॉन और गैलियम आर्सेनाइड जैसे पारंपरिक अर्धचालक पदार्थों की तुलना में बहुत अधिक वोल्टेज, आवृत्तियों और तापमान पर संचालित करने की अनुमति देते हैं। वे अल्प-तरंग दैर्घ्य (ग्रीन-यूवी) प्रकाश उत्सर्जक डायोड या लेज़र बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रमुख घटक हैं और कुछ रेडियो आवृत्ति अनुप्रयोगों, विशेष रूप से सैन्य राडार में भी उपयोग किए जाते हैं। उनके आंतरिक गुण उन्हें अन्य अनुप्रयोगों की विस्तृत श्रृंखला के लिए उपयुक्त बनाते हैं और वे सामान्य अर्धचालक उपयोग के लिए अगली पीढ़ी के उपकरणों के प्रमुख दावेदारों में से एक हैं।

व्यापक बैंडगैप उन उपकरणों को अनुमति देने के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जो उन्हें 300 डिग्री सेल्सियस के क्रम में बहुत अधिक तापमान पर संचालित करने के लिए उपयोग करते हैं। यह उन्हें सैन्य अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक आकर्षक बनाता है जहाँ उनका उचित मात्रा में उपयोग देखा है। उच्च तापमान सहिष्णुता का अर्थ यह भी है कि इन उपकरणों को सामान्य परिस्थितियों में उच्च शक्ति स्तर पर संचालित किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त अधिकांश व्यापक-बैंडगैप सामग्रियों में पारंपरिक अर्धचालकों के दस गुना के क्रम में बहुत अधिक महत्वपूर्ण विद्युत क्षेत्र घनत्व भी होता है। संयुक्त रूप से ये गुण उन्हें बहुत अधिक वोल्टेज और धाराओं पर संचालित करने की अनुमति देते हैं जो उन्हें सैन्य, रेडियो और विद्युत शक्ति रूपांतरण अनुप्रयोगों में अत्यधिक मूल्यवान बनाता है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग का मानना ​​है कि वे नए विद्युत ग्रिड और वैकल्पिक ऊर्जा उपकरणों के साथ-साथ प्लग-इन इलेक्ट्रिक वाहनों से लेकर इलेक्ट्रिक लोकोमोटिव तक उच्च-शक्ति वाले वाहनों में उपयोग किए जाने वाले शक्तिशाली और कुशल बिजली घटकों में एक मूलभूत तकनीक होगी। अधिकांश व्यापक-बैंडगैप सामग्रियों में उच्च मुक्त-इलेक्ट्रॉन वेग भी होते हैं जो उन्हें उच्च स्विचिंग गति पर कार्य करने की अनुमति देता है जो रेडियो अनुप्रयोगों में उनके मूल्य को जोड़ता है। एकल WBG उपकरण का उपयोग पूर्ण रेडियो प्रणाली बनाने के लिए किया जा सकता है जिससे उच्च आवृत्तियों और शक्ति स्तरों पर कार्य करते समय भिन्न-भिन्न सिग्नल और रेडियो-आवृत्ति घटकों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

व्यापक-बैंडगैप सामग्रियों का अनुसंधान और विकास पारंपरिक अर्धचालकों से पीछे है जिन्हें 1970 के दशक से अधिक मात्रा पर निवेश प्राप्त हुआ है। जबकि कई अनुप्रयोगों में उनके स्पष्ट निहित लाभ, पारंपरिक अर्धचालकों में नहीं पाए जाने वाले कुछ अद्वितीय गुणों के साथ मिलकर सिलिकॉन के अतिरिक्त रोजमर्रा के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उनके उपयोग में रुचि बढ़ा रहे हैं। मूर के नियम को बनाए रखने के प्रयासों के लिए उच्च शक्ति घनत्व को संभालने की उनकी क्षमता विशेष रूप से आकर्षक है क्योंकि परंपरागत प्रौद्योगिकियां घनत्व स्थिरता तक पहुंच रही हैं।

उपकरणों में प्रयोग
व्यापक-बैंडगैप सामग्रियों में कई विशेषताएं होती हैं जो उन्हें संकीर्ण बैंडगैप सामग्रियों की तुलना में उपयोगी बनाती हैं। उच्च ऊर्जा अंतर उपकरणों को उच्च तापमान पर संचालित करने की क्षमता देता है जैसे कि बैंडगैप सामान्य रूप से बढ़ते तापमान के साथ सिकुड़ते हैं जो पारंपरिक अर्धचालकों का उपयोग करते समय समस्याग्रस्त हो सकता है। कुछ अनुप्रयोगों के लिए व्यापक-बैंडगैप सामग्री उपकरण को बड़े वोल्टेज स्विच करने की अनुमति देती है। व्यापक बैंडगैप इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण ऊर्जा को दृश्यमान प्रकाश की ऊर्जा की सीमा में भी लाता है और इसलिए प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) और अर्धचालक लेजर  जैसे प्रकाश उत्सर्जक उपकरणों को बनाया जा सकता है जो दृश्यमान स्पेक्ट्रम में उत्सर्जन करते हैं या उत्पादन भी करते हैं पराबैंगनी विकिरण।

व्यापक-बैंडगैप अर्धचालक का उपयोग करने वाली सॉलिड-स्टेट लाइटिंग में तापदीप्त प्रकाश की तुलना में प्रकाश प्रदान करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा को कम करने की क्षमता होती है जिसमें प्रति वाट 20 लुमेन से कम की चमकदार प्रभावकारिता होती है। एल ई डी की प्रभावकारिता लगभग 160 लुमेन प्रति वाट है।

व्यापक-बैंडगैप अर्धचालक का उपयोग आरएफ संकेत प्रोसेसिंग में भी किया जा सकता है। सिलिकॉन आधारित पावर ट्रांजिस्टर ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी, ब्रेकडाउन वोल्टेज और शक्ति घनत्व  की सीमा तक पहुंच रहे हैं। व्यापक-बैंडगैप सामग्री का उपयोग उच्च-तापमान और पावर स्विचिंग अनुप्रयोगों में किया जा सकता है।

सामग्री
कार्बन समूह में केवल उच्च बैंडगैप सामग्री हीरा और सिलिकन कार्बाइड (SiC) हैं।

उच्च बैंडगैप वाले कई III-V और II-VI यौगिक अर्धचालक हैं। III-V अर्धचालक समूह में एल्यूमीनियम नाइट्राइड (AlN) का उपयोग 200-250 नैनोमीटर तक तरंग दैर्ध्य के साथ पराबैंगनी एलईडी बनाने के लिए किया जाता है एवं गैलियम नाइट्राइड (GaN) का उपयोग नीले एलईडी और लेज़र डायोड बनाने के लिए किया जाता है और बोरॉन नाइट्राइड (BN) ब्लू एलईडी के लिए प्रस्तावित है।

बैंडगैप
क्वांटम यांत्रिकी विशिष्ट इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों या बैंडों की श्रृंखला को उत्पन्न करती है जो सामग्री से सामग्री में भिन्न होती है। प्रत्येक बैंड में निश्चित संख्या में इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं। यदि परमाणु में अधिक इलेक्ट्रॉन हैं तो वे उच्च ऊर्जा बैंड में विवश हो जाते हैं। बाहरी ऊर्जा की उपस्थिति में कुछ इलेक्ट्रॉन ऊर्जा प्राप्त करेंगे और इसे जारी करने से पहले और निचले बैंड में वापस गिरने से पहले ऊर्जा बैंड को वापस ऊपर ले जाएंगे। बाहरी ऊर्जा के निरंतर उपयोग के साथ कमरे के तापमान पर उपस्थित तापीय ऊर्जा की तरह संतुलन तक पहुँच जाता है जहाँ बैंड के ऊपर और नीचे जाने वाले इलेक्ट्रॉनों का घनत्व समान्तर होता है।

ऊर्जा बैंड के वितरण और उनके मध्य के बैंड गैप के आधार पर सामग्रियों में बहुत भिन्न विद्युत गुण होंगे। उदाहरण के लिए कमरे के तापमान पर अधिकांश धातुओं में आंशिक रूप से भरे हुए बैंड की श्रृंखला होती है जो इलेक्ट्रॉनों को कम लागू ऊर्जा के साथ जोड़ने या निकालने की अनुमति देती है। जब एक साथ कसकर पैक किया जाता है तो इलेक्ट्रॉन परमाणु से परमाणु में सरलता से जा सकते हैं जिससे वे उत्कृष्ट विद्युत चालक बन जाते हैं। इसकी तुलना में अधिकांश प्लास्टिक सामग्रियों में व्यापक रूप से ऊर्जा का स्तर होता है जिसके लिए उनके परमाणुओं के मध्य इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है जिससे वे प्राकृतिक विसंवाहक (बिजली) बन जाते हैं। अर्धचालक वे पदार्थ होते हैं जिनमें दोनों प्रकार के बैंड होते हैं और सामान्य परिचालन तापमान पर कुछ इलेक्ट्रॉन दोनों बैंड में होते हैं।

अर्धचालकों में कम मात्रा में ऊर्जा जोड़ने से अधिक इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड में धकेल दिया जाता है जिससे वे अधिक प्रवाहकीय हो जाते हैं और धारा को चालक की तरह प्रवाहित होने देते हैं। इस लागू ऊर्जा की ध्रुवीयता को उलटने से इलेक्ट्रॉनों को अधिक व्यापक रूप से पृथक किए गए बैंड में धकेल दिया जाता है जिससे वे विसंवाहक बन जाते हैं और प्रवाह को रोक देते हैं। चूंकि इन दो स्तरों के मध्य इलेक्ट्रॉनों को धकेलने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा बहुत कम है जिससे ये अर्धचालक बहुत कम ऊर्जा इनपुट के साथ स्विचिंग की अनुमति देते हैं। जबकि यह स्विचिंग प्रक्रिया दो राज्यों के मध्य स्वाभाविक रूप से वितरित होने वाले इलेक्ट्रॉनों पर निर्भर करती है इसलिए छोटे इनपुट के कारण जनसंख्या के आँकड़े तीव्रता से परिवर्तित होते हैं। जैसा कि मैक्सवेल-बोल्ट्ज़मैन वितरण के कारण बाहरी तापमान में परिवर्तन होता है जहाँ अधिक से अधिक इलेक्ट्रॉन सामान्य रूप से स्वयं को एक या दूसरी अवस्था में पाएंगे जिससे स्विचिंग क्रिया स्वतः हो जाएगी या पूर्ण रूप से रुक जाएगी।

परमाणुओं का आकार और परमाणु में प्रोटॉन की संख्या बैंडगैप की शक्ति और लेआउट के प्राथमिक भविष्यवक्ता हैं। छोटे परमाणुओं और शक्तिशाली परमाणु बंधों वाली सामग्री व्यापक बैंडगैप से जुड़ी होती है। III-V यौगिकों के संबंध में नाइट्राइड सबसे बड़े बैंडगैप से जुड़े हैं। बैंडगैप को मिश्रधातु द्वारा इंजीनियर किया जा सकता है और वेजर्ड के नियम में कहा गया है कि जाली स्थिरांक और स्थिर तापमान पर एक ठोस समाधान की संरचना के मध्य एक रैखिक संबंध है। बैंड संरचना में कंडक्शन बैंड मिनिमा बनाम मैक्सिमा की स्थिति निर्धारित करती है कि क्या एक बैंडगैप प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल है जहां प्रत्यक्ष बैंडगैप सामग्री प्रकाश को दृढ़ता से अवशोषित करती है, और अप्रत्यक्ष बैंडगैप कम दृढ़ता से अवशोषित करते हैं। इसी प्रकार प्रत्यक्ष बैंडगैप सामग्री दृढ़ता से प्रकाश का उत्सर्जन करती है जबकि अप्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक खराब प्रकाश उत्सर्जक होते हैं जब तक कि डोपेंट को जोड़ा नहीं जाता है जो जोड़े को प्रकाश में दृढ़ता से जोड़ता है।

प्रकाशीय गुण
तरंग दैर्घ्य और बैंडगैप के मध्य संबंध यह है कि बैंडगैप की ऊर्जा वह न्यूनतम ऊर्जा है जो चालन बैंड में इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक है। इस उत्तेजना को उत्पन्न करने के लिए असिस्टेड फोटॉन के लिए उसमें कम से कम इतनी ऊर्जा होनी चाहिए। विपरीत प्रक्रिया में जब उत्तेजित इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़े वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन से होकर निकलते हैं तो फोटॉन ऊर्जा के साथ उत्पन्न होते हैं जो बैंडगैप के परिमाण के अनुरूप होते हैं।

बैंडगैप तरंग दैर्ध्य को निर्धारित करता है जिस पर एलईडी प्रकाश उत्सर्जित करता है और तरंग दैर्ध्य जिस पर फोटोवोल्टिक्स सबसे अधिक कुशलता से संचालित होता है। इसलिए व्यापक-बैंडगैप उपकरण अन्य अर्धचालक उपकरणों की तुलना में कम तरंग दैर्ध्य में उपयोगी होते हैं। उदाहरण के लिए 1.4 eV के GaAs के लिए बैंडगैप लगभग 890 nm के तरंग दैर्ध्य से मेल खाता है जो अवरक्त प्रकाश है (प्रकाश ऊर्जा के लिए समतुल्य तरंगदैर्घ्य को eV में ऊर्जा द्वारा स्थिर 1240 nm-eV को विभाजित करके निर्धारित किया जा सकता है अतः 1240 nm-eV/1.4 eV = 886 nm)।

चूंकि सौर स्पेक्ट्रम के विभिन्न क्षेत्रों के लिए परतों के साथ फोटोवोल्टिक सेल से उच्चतम दक्षता का उत्पादन किया जाएगा एवं आधुनिक मल्टी-जंक्शन सौर कोशिकाओं में विभिन्न बैंडगैप के साथ कई परतें होती हैं और व्यापक-बैंडगैप अर्धचालक के इन्फ्रारेड से परे स्पेक्ट्रम भाग को इकट्ठा करने के लिए प्रमुख घटक होते हैं। प्रकाश अनुप्रयोगों में एलईडी का उपयोग विशेष रूप से व्यापक-बैंडगैप नाइट्राइड अर्धचालक के विकास पर निर्भर करता है।

फ़ील्ड विभाजन
प्रभाव आयनीकरण को अधिकतर विभाजन का कारण माना जाता है। विभाजित बिंदु पर अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन पर्याप्त गतिज ऊर्जा से जुड़े होते हैं जब वे जाली परमाणुओं से टकराते हैं तो वाहक उत्पन्न करते हैं।

व्यापक-बैंडगैप अर्धचालक उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज से जुड़े होते हैं। यह प्रभाव के माध्यम से वाहक उत्पन्न करने के लिए आवश्यक एक बड़े विद्युत क्षेत्र के कारण है।

उच्च विद्युत क्षेत्रों में प्रकाशिक फोनों से बिखरने के कारण बहाव वेग वेग संतृप्ति एक विशेष तापमान पर कम ऑप्टिकल फोनोन में उच्च ऑप्टिकल फोनन ऊर्जा का परिणाम होता है और इसलिए बिखरने वाले केंद्र कम होते हैं और व्यापक-बैंडगैप अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन उच्च शिखर वेग प्राप्त कर सकते हैं।

बहाव वेग मध्यवर्ती विद्युत क्षेत्र में चरम पर पहुंच जाता है और उच्च क्षेत्रों में कम मात्रा से गुजरता है। इंटरवेली बिखराव विद्युत क्षेत्रों में अतिरिक्त स्कैटरिंग मैकेनिज्म है और यह कंडक्शन बैंड की सबसे निचली घाटी से ऊपरी घाटियों तक वाहक के स्थानांतरण के कारण होता है जहां निचला बैंड वक्रता प्रभावी द्रव्यमान (सॉलिड-स्टेट फिजिक्स) को बढ़ाता है। जो इलेक्ट्रॉनों और इलेक्ट्रॉन गतिशीलता को कम करता है। इंटरवेली बिखराव बिखरने के कारण उच्च विद्युत क्षेत्रों में बहाव वेग में गिरावट उच्च संतृप्ति वेग की तुलना में कम है जो कम प्रकाशिक फोनन बिखरने से उत्पन्न होती है। इसलिए समग्र उच्च संतृप्ति वेग है।

ऊष्मीय गुण
सिलिकॉन और अन्य सामान्य सामग्रियों में 1 से 1.5 इलेक्ट्रॉनवोल्ट (eV) के क्रम में बैंडगैप होता है जिसका अर्थ है कि ऐसे अर्धचालक उपकरणों को अपेक्षाकृत कम वोल्टेज द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। जबकि इसका तात्पर्य यह भी है कि वे तापीय ऊर्जा द्वारा अधिक सरलता से सक्रिय होते हैं जो उनके उचित संचालन में हस्तक्षेप करता है। यह सिलिकॉन-आधारित उपकरणों को लगभग 100 °C से नीचे परिचालन तापमान तक सीमित कर देता है जिसके बाद उपकरणों की अनियंत्रित थर्मल सक्रियता उनके लिए सही ढंग से कार्य करना कठिन बना देती है। व्यापक-बैंडगैप सामग्रियों में सामान्य रूप से 2 से 4 eV के क्रम में बैंडगैप होता है जिससे वे 300 डिग्री सेल्सियस के क्रम में बहुत अधिक तापमान पर कार्य कर सकते हैं। यह उन्हें सैन्य अनुप्रयोगों में अत्यधिक आकर्षक बनाता है जहाँ उन्होंने उचित मात्रा में उपयोग देखा है।

पिघलने के तापमान, थर्मल विस्तार गुणांक, और तापीय चालकता को द्वितीयक गुण माना जा सकता है जो प्रसंस्करण में आवश्यक हैं और ये गुण व्यापक-बैंडगैप सामग्री में संबंध से संबंधित हैं। मजबूत बांड के परिणामस्वरूप उच्च पिघलने का तापमान और कम तापीय विस्तार गुणांक होता है। एक उच्च डिबाई तापमान के परिणामस्वरूप उच्च तापीय चालकता होती है। ऐसे ऊष्मीय गुणों के साथ, गर्मी सरलता से दूर हो जाती है।

उच्च शक्ति अनुप्रयोग
व्यापक-बैंडगैप अर्धचालक का उच्च विभाजन वोल्टेज उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में उपयोगी गुण है जिसके लिए बड़े विद्युत क्षेत्रों की आवश्यकता होती है।

उच्च शक्ति और उच्च तापमान के लिए उपकरण अनुप्रयोगों को विकसित किया गया है। गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड दोनों ऐसे अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त सामग्री हैं। इसकी मजबूती और निर्माण में सरलता के कारण सिलिकॉन कार्बाइड अर्धचालक का व्यापक रूप से उपयोग किए जाने एवं हाइब्रिड और सभी-इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए सरल और उच्च दक्षता चार्जिंग बनाने, ऊर्जा हानि को कम करने, लंबे समय तक चलने वाली सौर ऊर्जा और पवन ऊर्जा पावर कन्वर्टर्स का निर्माण और भारी ग्रिड सबस्टेशन ट्रांसफार्मर को समाप्त करने की आशा है। क्यूबिक बोरॉन नाइट्राइड का भी उपयोग किया जाता है। इनमें से अधिकांश अंतरिक्ष कार्यक्रमों और सैन्य प्रणालियों में विशेषज्ञ अनुप्रयोगों के लिए हैं। उन्होंने सामान्य बिजली अर्धचालक बाजार में सिलिकॉन को अपने प्रमुख स्थान से विस्थापित करना आरम्भ नहीं किया है।

प्रकाश उत्सर्जक डायोड
अधिक चमक और लंबे जीवन की विशेषताओं के साथ सफेद एल ई डी ने कई स्थितियों में तापदीप्त बल्बों को परिवर्तित कर दिया है। अगली पीढ़ी के डीवीडी प्लेयर (ब्लू रे और एचडी डीवीडी प्रारूप) GaN-आधारित वायलेट लेजर का उपयोग करते हैं।

ट्रांसड्यूसर
वृहत पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव व्यापक-बैंडगैप सामग्री को ट्रांसड्यूसर के रूप में उपयोग करने की अनुमति देते हैं।

उच्च-इलेक्ट्रॉन-गतिशीलता ट्रांजिस्टर
अधिक उच्च गति वाला GaN उच्च इंटरफ़ेस-चार्ज घनत्व की घटना का उपयोग करता है।

इसकी लागत के कारण एल्यूमीनियम नाइट्राइड का अब तक ज्यादातर सैन्य अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।

महत्वपूर्ण व्यापक-बैंडगैप अर्धचालक

 * एल्युमिनियम नाइट्राइड
 * बोरॉन नाइट्राइड, एच-बीएन और सी-बीएन यूवी-एलईडी बना सकते हैं।
 * हीरा
 * गैलियम नाइट्राइड
 * सिलिकन कार्बाइड
 * सिलिकॉन डाइऑक्साइड

यह भी देखें

 * ऊर्जा अंतराल
 * प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल
 * अर्धचालक (सामग्री)
 * अर्धचालक उपकरण
 * अर्धचालक सामग्री की सूची