इलेक्ट्रॉनिक सामग्री: सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी

सेमीकंडक्टर तकनीक आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की रीढ़ है, जो स्मार्टफोन और कंप्यूटर से लेकर चिकित्सा उपकरणों और ऑटोमोटिव सिस्टम तक हर चीज का आधार है। इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में शामिल किसी भी व्यक्ति के लिए सेमीकंडक्टर निर्माण में शामिल सामग्रियों और प्रक्रियाओं को समझना महत्वपूर्ण है, इंजीनियरों और वैज्ञानिकों से लेकर व्यावसायिक पेशेवरों और निवेशकों तक। यह व्यापक मार्गदर्शिका इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों में गहराई से उतरती है, जो सेमीकंडक्टर तकनीक और उसके वैश्विक प्रभाव पर केंद्रित है।

इलेक्ट्रॉनिक सामग्री क्या हैं?

इलेक्ट्रॉनिक सामग्री ऐसे पदार्थ हैं जिनमें विद्युत गुण होते हैं जो उन्हें इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाते हैं। इन सामग्रियों को मोटे तौर पर कंडक्टर, इंसुलेटर और सेमीकंडक्टर में वर्गीकृत किया जा सकता है।

• कंडक्टर, जैसे तांबा और एल्यूमीनियम, बिजली को आसानी से उनमें से गुजरने देते हैं।
• इंसुलेटर, जैसे कांच और सिरेमिक, बिजली के प्रवाह का विरोध करते हैं।
• सेमीकंडक्टर, जैसे सिलिकॉन और जर्मेनियम, में कंडक्टर और इंसुलेटर की तुलना में चालकता होती है। उनकी चालकता को बाहरी कारकों द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे वे ट्रांजिस्टर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों के निर्माण के लिए आदर्श बन जाते हैं।

यह मार्गदर्शिका मुख्य रूप से सेमीकंडक्टर पर केंद्रित है, विशेष रूप से इंटीग्रेटेड सर्किट (ICs) के निर्माण में उपयोग किए जाने वाले।

सेमीकंडक्टर सामग्री: प्रमुख खिलाड़ी

सिलिकॉन (Si)

सिलिकॉन अब तक सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सेमीकंडक्टर सामग्री है। इसकी प्रचुरता, अपेक्षाकृत कम लागत और अच्छी तरह से स्थापित निर्माण प्रक्रियाओं ने इसे इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में प्रमुख सामग्री बना दिया है। सिलिकॉन की एक मूल ऑक्साइड (SiO2) बनाने की क्षमता, जो एक उत्कृष्ट इंसुलेटर है, भी एक बड़ा फायदा है।

सिलिकॉन के फायदे:

• प्रचुरता: सिलिकॉन पृथ्वी की पपड़ी में दूसरा सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला तत्व है।
• लागत-प्रभावशीलता: सिलिकॉन प्रसंस्करण तकनीक परिपक्व है और अपेक्षाकृत सस्ती है।
• उत्कृष्ट इंसुलेटर: सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) MOSFET में उपयोग किया जाने वाला एक उच्च-गुणवत्ता वाला इंसुलेटर है।
• थर्मल स्थिरता: विशिष्ट ऑपरेटिंग तापमान पर अच्छी थर्मल स्थिरता।

सिलिकॉन के नुकसान:

• कम इलेक्ट्रॉन गतिशीलता: अन्य सेमीकंडक्टरों की तुलना में, सिलिकॉन में कम इलेक्ट्रॉन गतिशीलता होती है, जो उपकरणों की गति को सीमित करती है।
• अप्रत्यक्ष बैंडगैप: सिलिकॉन में एक अप्रत्यक्ष बैंडगैप होता है, जो इसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों (जैसे, एलईडी, लेजर) के लिए कम कुशल बनाता है।

जर्मेनियम (Ge)

जर्मेनियम ट्रांजिस्टर में उपयोग की जाने वाली पहली सेमीकंडक्टर सामग्री में से एक था, लेकिन इसे बड़े पैमाने पर सिलिकॉन द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है, क्योंकि इसमें कम बैंडगैप और तापमान के प्रति अधिक संवेदनशीलता होती है। हालाँकि, जर्मेनियम का उपयोग अभी भी कुछ विशेष अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे कि उच्च-आवृत्ति वाले उपकरण और अवरक्त डिटेक्टर।

जर्मेनियम के फायदे:

• उच्च इलेक्ट्रॉन और होल गतिशीलता: जर्मेनियम में सिलिकॉन की तुलना में उच्च इलेक्ट्रॉन और होल गतिशीलता होती है, जो इसे उच्च गति वाले उपकरणों के लिए उपयुक्त बनाती है।

जर्मेनियम के नुकसान:

• कम बैंडगैप: जर्मेनियम में सिलिकॉन की तुलना में कम बैंडगैप होता है, जिससे कमरे के तापमान पर उच्च रिसाव धारा होती है।
• उच्च लागत: जर्मेनियम सिलिकॉन से अधिक महंगा है।
• थर्मल अस्थिरता: उच्च तापमान पर सिलिकॉन की तुलना में कम स्थिर।

गैलियम आर्सेनाइड (GaAs)

गैलियम आर्सेनाइड एक यौगिक सेमीकंडक्टर है जो कुछ अनुप्रयोगों में सिलिकॉन की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रदान करता है। इसमें सिलिकॉन की तुलना में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और एक प्रत्यक्ष बैंडगैप है, जो इसे उच्च-आवृत्ति वाले उपकरणों, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों (जैसे, एलईडी, लेजर) और सौर कोशिकाओं के लिए उपयुक्त बनाता है।

गैलियम आर्सेनाइड के फायदे:

• उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता: GaAs में सिलिकॉन की तुलना में काफी अधिक इलेक्ट्रॉन गतिशीलता होती है, जो तेज़ उपकरणों को सक्षम बनाती है।
• प्रत्यक्ष बैंडगैप: GaAs में एक प्रत्यक्ष बैंडगैप है, जो इसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए कुशल बनाता है।
• अर्ध-इंसुलेटिंग सब्सट्रेट: GaAs सब्सट्रेट को अर्ध-इंसुलेटिंग बनाया जा सकता है, जिससे उच्च-आवृत्ति वाले सर्किट में परजीवी कैपेसिटेंस कम हो जाती है।

गैलियम आर्सेनाइड के नुकसान:

• उच्च लागत: GaAs सिलिकॉन से अधिक महंगा है।
• कम होल गतिशीलता: GaAs में सिलिकॉन की तुलना में कम होल गतिशीलता होती है।
• भंगुर: GaAs सिलिकॉन की तुलना में अधिक भंगुर और संसाधित करना कठिन है।
• विषाक्तता: आर्सेनिक विषैला होता है, जिससे पर्यावरणीय और सुरक्षा संबंधी चिंताएँ बढ़ जाती हैं।

अन्य यौगिक सेमीकंडक्टर

गैलियम आर्सेनाइड के अलावा, अन्य यौगिक सेमीकंडक्टर का उपयोग विशेष अनुप्रयोगों में किया जाता है। इनमें शामिल हैं:

• इंडियम फॉस्फाइड (InP): उच्च गति वाले ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और उच्च-आवृत्ति वाले सर्किट में उपयोग किया जाता है।
• गैलियम नाइट्राइड (GaN): उच्च-शक्ति और उच्च-आवृत्ति वाले उपकरणों, साथ ही एलईडी और लेजर में उपयोग किया जाता है।
• सिलिकॉन कार्बाइड (SiC): उच्च-शक्ति और उच्च-तापमान वाले उपकरणों में उपयोग किया जाता है।
• मर्करी कैडमियम टेल्यूराइड (HgCdTe): अवरक्त डिटेक्टरों में उपयोग किया जाता है।

सेमीकंडक्टर निर्माण प्रक्रियाएं: वेफर से चिप तक

सेमीकंडक्टर निर्माण एक जटिल और बहु-चरणीय प्रक्रिया है जिसमें एक सेमीकंडक्टर वेफर को एक कार्यात्मक इंटीग्रेटेड सर्किट में बदलना शामिल है। मुख्य चरण शामिल हैं:

वेफर तैयार करना

यह प्रक्रिया एक एकल-क्रिस्टल सेमीकंडक्टर पिंड के विकास के साथ शुरू होती है, आमतौर पर Czochralski प्रक्रिया या फ्लोट-ज़ोन प्रक्रिया का उपयोग करके। फिर पिंड को पतले वेफर में काटा जाता है, जिन्हें एक चिकनी और दोष मुक्त सतह बनाने के लिए पॉलिश किया जाता है।

फोटोलिथोग्राफी

फोटोलिथोग्राफी एक महत्वपूर्ण चरण है जिसमें पैटर्न को वेफर पर स्थानांतरित किया जाता है। वेफर को एक फोटोरेसिस्ट सामग्री के साथ लेपित किया जाता है, जो प्रकाश के प्रति संवेदनशील होती है। वांछित पैटर्न वाले एक मास्क को वेफर पर रखा जाता है, और वेफर को पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में लाया जाता है। फोटोरेसिस्ट के उजागर क्षेत्रों को या तो हटा दिया जाता है (सकारात्मक फोटोरेसिस्ट) या शेष रहता है (नकारात्मक फोटोरेसिस्ट), जिससे वेफर पर एक पैटर्न वाली परत बनती है।

उत्कीर्णन

उत्कीर्णन का उपयोग वेफर से उस क्षेत्र में सामग्री को हटाने के लिए किया जाता है जो फोटोरेसिस्ट द्वारा संरक्षित नहीं हैं। उत्कीर्णन के दो मुख्य प्रकार हैं: गीला उत्कीर्णन और सूखा उत्कीर्णन। गीला उत्कीर्णन सामग्री को हटाने के लिए रासायनिक समाधान का उपयोग करता है, जबकि सूखा उत्कीर्णन सामग्री को हटाने के लिए प्लाज्मा का उपयोग करता है।

डोपिंग

डोपिंग अर्धचालक सामग्री में अशुद्धियों को पेश करने की प्रक्रिया है ताकि इसकी विद्युत चालकता को बदला जा सके। डोपिंग के दो मुख्य प्रकार हैं n-प्रकार की डोपिंग (अधिक संयोजी इलेक्ट्रॉनों वाले तत्वों को पेश करना, जैसे फास्फोरस या आर्सेनिक) और p-प्रकार की डोपिंग (कम संयोजी इलेक्ट्रॉनों वाले तत्वों को पेश करना, जैसे बोरॉन या गैलियम)। डोपिंग आमतौर पर आयन प्रत्यारोपण या प्रसार के माध्यम से प्राप्त की जाती है।

पतली फिल्म जमाव

पतली फिल्म जमाव का उपयोग वेफर पर विभिन्न सामग्रियों की पतली परतें जमा करने के लिए किया जाता है। सामान्य जमाव तकनीकों में शामिल हैं:

• रासायनिक वाष्प जमाव (CVD): वेफर की सतह पर एक रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, जिससे एक पतली फिल्म जमा होती है।
• भौतिक वाष्प जमाव (PVD): सामग्री को एक लक्ष्य से वाष्पित या छिड़का जाता है और वेफर पर जमा किया जाता है।
• परमाणु परत जमाव (ALD): एक पतली फिल्म परत दर परत जमा की जाती है, जिससे फिल्म की मोटाई और संरचना का सटीक नियंत्रण होता है।

धातुकरण

धातुकरण का उपयोग सर्किट के विभिन्न हिस्सों के बीच विद्युत कनेक्शन बनाने के लिए किया जाता है। धातु की परतें, आमतौर पर एल्यूमीनियम या तांबा, जमा की जाती हैं और इंटरकनेक्ट बनाने के लिए पैटर्न बनाई जाती हैं।

परीक्षण और पैकेजिंग

निर्माण के बाद, वेफर का परीक्षण यह सुनिश्चित करने के लिए किया जाता है कि सर्किट सही ढंग से काम कर रहे हैं। दोषपूर्ण सर्किट को त्याग दिया जाता है। फिर कार्यात्मक सर्किट को वेफर (डाइसिंग) से अलग किया जाता है और व्यक्तिगत चिप्स में पैक किया जाता है। पैकेजिंग चिप को पर्यावरण से बचाता है और बाहरी दुनिया से विद्युत कनेक्शन प्रदान करता है।

प्रमुख सेमीकंडक्टर डिवाइस

डायोड

एक डायोड एक दो-टर्मिनल इलेक्ट्रॉनिक घटक है जो मुख्य रूप से एक दिशा में करंट का संचालन करता है। डायोड का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे रेक्टिफायर, वोल्टेज नियामक और स्विच।

ट्रांजिस्टर

एक ट्रांजिस्टर एक तीन-टर्मिनल इलेक्ट्रॉनिक घटक है जिसका उपयोग स्विच या एम्पलीफायर के रूप में किया जा सकता है। ट्रांजिस्टर के दो मुख्य प्रकार हैं:

• बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर (BJTs): BJTs करंट का संचालन करने के लिए इलेक्ट्रॉनों और होल्स दोनों का उपयोग करते हैं।
• फ़ील्ड-इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर (FETs): FETs करंट प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए एक विद्युत क्षेत्र का उपयोग करते हैं। FET का सबसे आम प्रकार मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFET) है।

MOSFET आधुनिक डिजिटल सर्किट के कामगार हैं। इनका उपयोग माइक्रोप्रोसेसर से लेकर मेमोरी चिप तक हर चीज में किया जाता है।

इंटीग्रेटेड सर्किट (ICs)

एक इंटीग्रेटेड सर्किट (IC), जिसे माइक्रोचिप या चिप के रूप में भी जाना जाता है, एक छोटा इलेक्ट्रॉनिक सर्किट है जिसमें कई घटक होते हैं, जैसे ट्रांजिस्टर, डायोड, प्रतिरोधक और कैपेसिटर, जो एक ही सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट पर निर्मित होते हैं। ICs छोटे फॉर्म फैक्टर में जटिल इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम के निर्माण की अनुमति देते हैं।

मूर का नियम और स्केलिंग

मूर का नियम, जिसे 1965 में गॉर्डन मूर द्वारा प्रस्तावित किया गया था, में कहा गया है कि एक माइक्रोचिप पर ट्रांजिस्टर की संख्या लगभग हर दो साल में दोगुनी हो जाती है। इससे पिछले कई दशकों में इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के प्रदर्शन और क्षमताओं में नाटकीय वृद्धि हुई है। हालाँकि, जैसे-जैसे ट्रांजिस्टर छोटे होते जाते हैं, मूर के नियम को बनाए रखना तेजी से कठिन होता जा रहा है। चुनौतियों में शामिल हैं:

• क्वांटम प्रभाव: बहुत छोटे आयामों पर, क्वांटम प्रभाव महत्वपूर्ण हो जाते हैं और उपकरण के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं।
• पावर डिसिपेशन: जैसे-जैसे ट्रांजिस्टर घने होते जाते हैं, बिजली का क्षरण बढ़ता जाता है, जिससे अधिक गर्म होने की समस्या होती है।
• निर्माण जटिलता: छोटे ट्रांजिस्टर का निर्माण अधिक जटिल और महंगा विनिर्माण प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है।

इन चुनौतियों के बावजूद, शोधकर्ता और इंजीनियर लगातार ट्रांजिस्टर के आकार को कम करने और डिवाइस के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए नई सामग्री और निर्माण तकनीकों का विकास कर रहे हैं।

सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी में उभरते रुझान

नई सामग्री

शोधकर्ता सेमीकंडक्टर उपकरणों में सिलिकॉन को बदलने या पूरक करने के लिए नई सामग्रियों की खोज कर रहे हैं। इनमें शामिल हैं:

• टू-डायमेंशनल सामग्री: ग्रेफीन और मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड (MoS2) जैसी सामग्री अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक गुण प्रदान करती है और इसका उपयोग अल्ट्रा-थिन ट्रांजिस्टर और अन्य डिवाइस बनाने के लिए किया जा सकता है।
• उच्च-के डाइइलेक्ट्रिक्स: सिलिकॉन डाइऑक्साइड की तुलना में उच्च डाइइलेक्ट्रिक स्थिरांक वाली सामग्रियों का उपयोग MOSFET में रिसाव करंट को कम करने के लिए किया जाता है।
• III-V सेमीकंडक्टर: GaN और InP जैसे यौगिक सेमीकंडक्टर का उपयोग उच्च-आवृत्ति और उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में किया जा रहा है।

3डी एकीकरण

3D एकीकरण में इंटीग्रेटेड सर्किट के घनत्व और प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए सेमीकंडक्टर उपकरणों की कई परतों को एक दूसरे के ऊपर रखना शामिल है। यह तकनीक कई फायदे प्रदान करती है, जिसमें छोटे इंटरकनेक्ट लंबाई, कम बिजली की खपत और बढ़ी हुई बैंडविड्थ शामिल हैं।

न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग

न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग का उद्देश्य अधिक कुशल और शक्तिशाली कंप्यूटर बनाने के लिए मानव मस्तिष्क की संरचना और कार्य का अनुकरण करना है। इस दृष्टिकोण में नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और आर्किटेक्चर का उपयोग शामिल है जो समानांतर प्रसंस्करण कर सकते हैं और डेटा से सीख सकते हैं।

क्वांटम कंप्यूटिंग

क्वांटम कंप्यूटिंग उन गणनाओं को करने के लिए क्वांटम-यांत्रिक घटनाओं, जैसे सुपरपोजिशन और उलझाव का उपयोग करता है जो शास्त्रीय कंप्यूटरों के लिए असंभव हैं। क्वांटम कंप्यूटरों में दवा की खोज, सामग्री विज्ञान और क्रिप्टोग्राफी जैसे क्षेत्रों में क्रांति लाने की क्षमता है।

वैश्विक सेमीकंडक्टर उद्योग

सेमीकंडक्टर उद्योग एक वैश्विक उद्योग है, जिसमें दुनिया भर के विभिन्न देशों में प्रमुख खिलाड़ी स्थित हैं। प्रमुख क्षेत्रों में शामिल हैं:

• संयुक्त राज्य अमेरिका: इंटेल, एएमडी और क्वालकॉम सहित दुनिया की कई अग्रणी सेमीकंडक्टर कंपनियों का घर।
• ताइवान: सेमीकंडक्टर निर्माण का एक प्रमुख केंद्र, जिसमें TSMC और UMC जैसी कंपनियां फाउंड्री मार्केट पर हावी हैं।
• दक्षिण कोरिया: सैमसंग और SK Hynix का घर, मेमोरी चिप्स और अन्य सेमीकंडक्टर उपकरणों के प्रमुख निर्माता।
• चीन: एक तेजी से बढ़ता सेमीकंडक्टर बाजार, घरेलू विनिर्माण क्षमताओं में बढ़ते निवेश के साथ।
• जापान: रेनेसास इलेक्ट्रॉनिक्स और तोशिबा जैसी कंपनियों का घर, जो ऑटोमोटिव सेमीकंडक्टर और अन्य इलेक्ट्रॉनिक घटकों में विशेषज्ञता रखती हैं।
• यूरोप: Infineon और NXP जैसी कंपनियों के साथ, ऑटोमोटिव, औद्योगिक और सुरक्षा अनुप्रयोगों पर केंद्रित है।

वैश्विक सेमीकंडक्टर उद्योग अत्यधिक प्रतिस्पर्धी है, जिसमें कंपनियां लगातार नई सामग्री, उपकरणों और विनिर्माण प्रक्रियाओं को विकसित करने के लिए नवाचार कर रही हैं। सरकारी नीतियां, व्यापार समझौते और भू-राजनीतिक कारक भी उद्योग परिदृश्य को आकार देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी का भविष्य

सेमीकंडक्टर तकनीक लगातार विकसित हो रही है, जो तेज़, छोटे और अधिक ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की बढ़ती मांग से प्रेरित है। सेमीकंडक्टर प्रौद्योगिकी का भविष्य संभवतः इसमें शामिल होगा:

• लगातार स्केलिंग: शोधकर्ता लघुकरण की सीमाओं को आगे बढ़ाना जारी रखेंगे, छोटे और अधिक शक्तिशाली ट्रांजिस्टर बनाने के लिए नई सामग्री और निर्माण तकनीकों की खोज करेंगे।
• अधिक विशिष्ट उपकरण: सेमीकंडक्टर डिवाइस विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए तेजी से विशिष्ट हो जाएंगे, जैसे कृत्रिम बुद्धिमत्ता, इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT), और ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स।
• बड़ा एकीकरण: 3D एकीकरण और अन्य उन्नत पैकेजिंग तकनीक अधिक जटिल और एकीकृत सिस्टम के निर्माण को सक्षम बनाएगी।
• सतत विनिर्माण: पर्यावरण पर प्रभाव को कम करने और टिकाऊ विनिर्माण प्रथाओं को बढ़ावा देने पर ध्यान केंद्रित करें।

इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों और सेमीकंडक्टर तकनीक के मूलभूत सिद्धांतों को समझकर, व्यक्ति और संगठन इस गतिशील और तेजी से विकसित हो रहे क्षेत्र की चुनौतियों और अवसरों को बेहतर ढंग से नेविगेट करने के लिए तैयार हो सकते हैं।

निष्कर्ष

सेमीकंडक्टर तकनीक आधुनिक समाज का एक महत्वपूर्ण सक्षमकर्ता है, जो अनगिनत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और प्रणालियों का आधार है। जैसे-जैसे हम तेजी से डिजिटल दुनिया की ओर बढ़ रहे हैं, सेमीकंडक्टर का महत्व केवल बढ़ता ही जाएगा। इस मार्गदर्शिका ने इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों का एक व्यापक अवलोकन प्रदान किया है, जो सेमीकंडक्टर तकनीक, प्रमुख सामग्रियों, निर्माण प्रक्रियाओं और भविष्य के रुझानों पर केंद्रित है। इन मूलभूत अवधारणाओं को समझकर, पाठक सेमीकंडक्टर उद्योग की जटिलताओं और चुनौतियों और वैश्विक अर्थव्यवस्था पर इसके प्रभाव के लिए गहरी सराहना प्राप्त कर सकते हैं।