ഇലക്ട്രോണിക് മെറ്റീരിയലുകൾ: അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യ

ആധുനിക ഇലക്ട്രോണിക്സിന്റെ നട്ടെല്ലാണ് അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യ, സ്മാർട്ട്‌ഫോണുകളും കമ്പ്യൂട്ടറുകളും മുതൽ മെഡിക്കൽ ഉപകരണങ്ങളും ഓട്ടോമോട്ടീവ് സിസ്റ്റങ്ങളും വരെയുള്ള എല്ലാറ്റിനും ഇത് അടിത്തറ നൽകുന്നു. അർദ്ധചാലക നിർമ്മാണത്തിൽ ഉൾപ്പെട്ടിരിക്കുന്ന വസ്തുക്കളെയും പ്രക്രിയകളെയും കുറിച്ച് മനസ്സിലാക്കുന്നത് എഞ്ചിനീയർമാരും ശാസ്ത്രജ്ഞരും മുതൽ ബിസിനസ്സ് പ്രൊഫഷണലുകളും നിക്ഷേപകരും വരെ ഇലക്ട്രോണിക്സ് വ്യവസായത്തിൽ ഉൾപ്പെട്ട ആർക്കും നിർണായകമാണ്. ഈ സമഗ്രമായ ഗൈഡ് ഇലക്ട്രോണിക് മെറ്റീരിയലുകളെക്കുറിച്ചുള്ള ആഴത്തിലുള്ള ഒരു കാഴ്ച നൽകുന്നു, അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യയിലും അതിന്റെ ആഗോള സ്വാധീനത്തിലും ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു.

എന്താണ് ഇലക്ട്രോണിക് മെറ്റീരിയലുകൾ?

ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കാൻ അനുയോജ്യമായ വൈദ്യുത ഗുണങ്ങളുള്ള പദാർത്ഥങ്ങളാണ് ഇലക്ട്രോണിക് മെറ്റീരിയലുകൾ. ഈ വസ്തുക്കളെ ചാലകങ്ങൾ, ഇൻസുലേറ്ററുകൾ, അർദ്ധചാലകങ്ങൾ എന്നിങ്ങനെ തരംതിരിക്കാം.

• ചാലകങ്ങൾ (Conductors), ചെമ്പ്, അലുമിനിയം പോലുള്ളവ, വൈദ്യുതിയെ എളുപ്പത്തിൽ കടന്നുപോകാൻ അനുവദിക്കുന്നു.
• ഇൻസുലേറ്ററുകൾ (Insulators), ഗ്ലാസ്, സെറാമിക്സ് പോലുള്ളവ, വൈദ്യുതി പ്രവാഹത്തെ പ്രതിരോധിക്കുന്നു.
• അർദ്ധചാലകങ്ങൾ (Semiconductors), സിലിക്കൺ, ജെർമേനിയം പോലുള്ളവയ്ക്ക്, ചാലകങ്ങളുടെയും ഇൻസുലേറ്ററുകളുടെയും ഇടയിലുള്ള ചാലകതയുണ്ട്. അവയുടെ ചാലകത ബാഹ്യ ഘടകങ്ങളാൽ നിയന്ത്രിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും മറ്റ് ഇലക്ട്രോണിക് ഘടകങ്ങളും നിർമ്മിക്കാൻ അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

ഈ ഗൈഡ് പ്രധാനമായും അർദ്ധചാലകങ്ങളിൽ, പ്രത്യേകിച്ച് ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളുടെ (ICs) നിർമ്മാണത്തിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നവയിൽ ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു.

അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കൾ: പ്രധാനികൾ

സിലിക്കൺ (Si)

സിലിക്കൺ ആണ് ഏറ്റവും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന അർദ്ധചാലക വസ്തു. അതിന്റെ ലഭ്യത, താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ വില, നന്നായി സ്ഥാപിക്കപ്പെട്ട നിർമ്മാണ പ്രക്രിയകൾ എന്നിവ ഇലക്ട്രോണിക്സ് വ്യവസായത്തിലെ പ്രധാന വസ്തുവാക്കി മാറ്റി. ഒരു മികച്ച ഇൻസുലേറ്ററായ നേറ്റീവ് ഓക്സൈഡ് (SiO2) രൂപീകരിക്കാനുള്ള സിലിക്കണിന്റെ കഴിവും ഒരു പ്രധാന നേട്ടമാണ്.

സിലിക്കണിന്റെ ഗുണങ്ങൾ:

• ലഭ്യത: ഭൂമിയുടെ പുറംതോടിൽ ഏറ്റവും കൂടുതലുള്ള രണ്ടാമത്തെ മൂലകമാണ് സിലിക്കൺ.
• ചെലവ് കുറവ്: സിലിക്കൺ പ്രോസസ്സിംഗ് സാങ്കേതികവിദ്യ പക്വവും താരതമ്യേന ചെലവ് കുറഞ്ഞതുമാണ്.
• മികച്ച ഇൻസുലേറ്റർ: സിലിക്കൺ ഡയോക്സൈഡ് (SiO2) മോസ്ഫെറ്റുകളിൽ (MOSFETs) ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള ഇൻസുലേറ്ററാണ്.
• താപ സ്ഥിരത: സാധാരണ പ്രവർത്തന താപനിലയിൽ നല്ല താപ സ്ഥിരതയുണ്ട്.

സിലിക്കണിന്റെ ദോഷങ്ങൾ:

• കുറഞ്ഞ ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി: മറ്റ് അർദ്ധചാലകങ്ങളെ അപേക്ഷിച്ച് സിലിക്കണിന് ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി കുറവാണ്, ഇത് ഉപകരണങ്ങളുടെ വേഗത പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു.
• പരോക്ഷ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ്: സിലിക്കണിന് ഒരു പരോക്ഷ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് ഉണ്ട്, ഇത് ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക് ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് (ഉദാഹരണത്തിന്, LED-കൾ, ലേസറുകൾ) കാര്യക്ഷമത കുറയ്ക്കുന്നു.

ജെർമേനിയം (Ge)

ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളിൽ ഉപയോഗിച്ചിരുന്ന ആദ്യത്തെ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളിൽ ഒന്നാണ് ജെർമേനിയം, എന്നാൽ അതിന്റെ കുറഞ്ഞ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പും താപനിലയോടുള്ള ഉയർന്ന സംവേദനക്ഷമതയും കാരണം സിലിക്കൺ അതിനെ വലിയ തോതിൽ മാറ്റിസ്ഥാപിച്ചു. എന്നിരുന്നാലും, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി ഉപകരണങ്ങൾ, ഇൻഫ്രാറെഡ് ഡിറ്റക്ടറുകൾ തുടങ്ങിയ ചില പ്രത്യേക ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ജെർമേനിയം ഇപ്പോഴും ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ജെർമേനിയത്തിന്റെ ഗുണങ്ങൾ:

• ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ, ഹോൾ മൊബിലിറ്റി: ജെർമേനിയത്തിന് സിലിക്കണിനേക്കാൾ ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ, ഹോൾ മൊബിലിറ്റി ഉണ്ട്, ഇത് അതിവേഗ ഉപകരണങ്ങൾക്ക് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

ജെർമേനിയത്തിന്റെ ദോഷങ്ങൾ:

• കുറഞ്ഞ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ്: ജെർമേനിയത്തിന് സിലിക്കണിനേക്കാൾ കുറഞ്ഞ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് ഉണ്ട്, ഇത് റൂം താപനിലയിൽ ഉയർന്ന ലീക്കേജ് കറന്റിന് കാരണമാകുന്നു.
• ഉയർന്ന വില: ജെർമേനിയത്തിന് സിലിക്കണിനേക്കാൾ വില കൂടുതലാണ്.
• താപ അസ്ഥിരത: ഉയർന്ന താപനിലയിൽ സിലിക്കണിനേക്കാൾ സ്ഥിരത കുറവാണ്.

ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് (GaAs)

ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് ഒരു സംയുക്ത അർദ്ധചാലകമാണ്, ഇത് ചില ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ സിലിക്കണുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ മികച്ച പ്രകടനം കാഴ്ചവെക്കുന്നു. ഇതിന് സിലിക്കണിനേക്കാൾ ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റിയും ഒരു ഡയറക്ട് ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പും ഉണ്ട്, ഇത് ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി ഉപകരണങ്ങൾ, ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ (ഉദാ. LED-കൾ, ലേസറുകൾ), സോളാർ സെല്ലുകൾ എന്നിവയ്ക്ക് അനുയോജ്യമാക്കുന്നു.

ഗാലിയം ആർസെനൈഡിന്റെ ഗുണങ്ങൾ:

• ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി: GaAs-ന് സിലിക്കണിനേക്കാൾ വളരെ ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റി ഉണ്ട്, ഇത് വേഗതയേറിയ ഉപകരണങ്ങളെ പ്രാപ്തമാക്കുന്നു.
• ഡയറക്ട് ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ്: GaAs-ന് ഒരു ഡയറക്ട് ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് ഉണ്ട്, ഇത് ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക് ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് കാര്യക്ഷമമാക്കുന്നു.
• സെമി-ഇൻസുലേറ്റിംഗ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ: GaAs സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ സെമി-ഇൻസുലേറ്റിംഗ് ആക്കാൻ കഴിയും, ഇത് ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി സർക്യൂട്ടുകളിലെ പാരാസിറ്റിക് കപ്പാസിറ്റൻസ് കുറയ്ക്കുന്നു.

ഗാലിയം ആർസെനൈഡിന്റെ ദോഷങ്ങൾ:

• ഉയർന്ന വില: GaAs സിലിക്കണിനേക്കാൾ വിലയേറിയതാണ്.
• കുറഞ്ഞ ഹോൾ മൊബിലിറ്റി: GaAs-ന് സിലിക്കണിനേക്കാൾ കുറഞ്ഞ ഹോൾ മൊബിലിറ്റിയുണ്ട്.
• പൊട്ടുന്ന സ്വഭാവം: GaAs സിലിക്കണിനേക്കാൾ കൂടുതൽ പൊട്ടുന്നതും പ്രോസസ്സ് ചെയ്യാൻ പ്രയാസമുള്ളതുമാണ്.
• വിഷാംശം: ആർസെനിക് വിഷമാണ്, ഇത് പാരിസ്ഥിതികവും സുരക്ഷാപരവുമായ ആശങ്കകൾ ഉയർത്തുന്നു.

മറ്റ് സംയുക്ത അർദ്ധചാലകങ്ങൾ

ഗാലിയം ആർസെനൈഡിന് പുറമെ, മറ്റ് സംയുക്ത അർദ്ധചാലകങ്ങളും പ്രത്യേക ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു. അവയിൽ ഉൾപ്പെടുന്നവ:

• ഇൻഡിയം ഫോസ്ഫൈഡ് (InP): അതിവേഗ ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളിലും ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി സർക്യൂട്ടുകളിലും ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് (GaN): ഉയർന്ന പവർ, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി ഉപകരണങ്ങളിലും LED-കളിലും ലേസറുകളിലും ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് (SiC): ഉയർന്ന പവർ, ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള ഉപകരണങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• മെർക്കുറി കാഡ്മിയം ടെല്ലുറൈഡ് (HgCdTe): ഇൻഫ്രാറെഡ് ഡിറ്റക്ടറുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

അർദ്ധചാലക നിർമ്മാണ പ്രക്രിയകൾ: വേഫർ മുതൽ ചിപ്പ് വരെ

ഒരു അർദ്ധചാലക വേഫറിനെ പ്രവർത്തനക്ഷമമായ ഒരു ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടാക്കി മാറ്റുന്ന സങ്കീർണ്ണവും ഒന്നിലധികം ഘട്ടങ്ങളുള്ളതുമായ ഒരു പ്രക്രിയയാണ് അർദ്ധചാലക നിർമ്മാണം. പ്രധാന ഘട്ടങ്ങളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

വേഫർ തയ്യാറാക്കൽ

ഷോക്രാൾസ്‌കി പ്രോസസ് (Czochralski process) അല്ലെങ്കിൽ ഫ്ലോട്ട്-സോൺ പ്രോസസ് ഉപയോഗിച്ച് ഒറ്റ ക്രിസ്റ്റൽ അർദ്ധചാലക ഇൻഗോട്ട് വളർത്തുന്നതോടെയാണ് പ്രക്രിയ ആരംഭിക്കുന്നത്. പിന്നീട് ഈ ഇൻഗോട്ടിനെ കനം കുറഞ്ഞ വേഫറുകളായി മുറിക്കുന്നു, അവ മിനുസമാർന്നതും കേടുപാടുകളില്ലാത്തതുമായ പ്രതലമാക്കി മാറ്റാൻ പോളിഷ് ചെയ്യുന്നു.

ഫോട്ടോലിത്തോഗ്രാഫി

വേഫറിലേക്ക് പാറ്റേണുകൾ മാറ്റുന്ന ഒരു നിർണായക ഘട്ടമാണ് ഫോട്ടോലിത്തോഗ്രാഫി. പ്രകാശത്തോട് സംവേദനക്ഷമതയുള്ള ഒരു ഫോട്ടോറെസിസ്റ്റ് മെറ്റീരിയൽ ഉപയോഗിച്ച് വേഫർ പൂശുന്നു. ആവശ്യമുള്ള പാറ്റേൺ അടങ്ങിയ ഒരു മാസ്ക് വേഫറിന് മുകളിൽ വെച്ച്, വേഫറിനെ അൾട്രാവയലറ്റ് ലൈറ്റിൽ എക്സ്പോസ് ചെയ്യുന്നു. ഫോട്ടോറെസിസ്റ്റിന്റെ എക്സ്പോസ് ചെയ്ത ഭാഗങ്ങൾ ഒന്നുകിൽ നീക്കംചെയ്യപ്പെടുകയോ (പോസിറ്റീവ് ഫോട്ടോറെസിസ്റ്റ്) അല്ലെങ്കിൽ നിലനിൽക്കുകയോ (നെഗറ്റീവ് ഫോട്ടോറെസിസ്റ്റ്) ചെയ്യുന്നു, ഇത് വേഫറിൽ ഒരു പാറ്റേൺ ചെയ്ത പാളി സൃഷ്ടിക്കുന്നു.

എച്ചിംഗ് (Etching)

ഫോട്ടോറെസിസ്റ്റിനാൽ സംരക്ഷിക്കപ്പെടാത്ത ഭാഗങ്ങളിൽ നിന്ന് വസ്തുക്കൾ നീക്കം ചെയ്യാനാണ് എച്ചിംഗ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്. വെറ്റ് എച്ചിംഗ്, ഡ്രൈ എച്ചിംഗ് എന്നിങ്ങനെ രണ്ട് പ്രധാന തരം എച്ചിംഗ് ഉണ്ട്. വെറ്റ് എച്ചിംഗ് രാസ ലായനികൾ ഉപയോഗിച്ച് വസ്തുക്കൾ നീക്കംചെയ്യുന്നു, അതേസമയം ഡ്രൈ എച്ചിംഗ് പ്ലാസ്മ ഉപയോഗിച്ച് വസ്തുക്കൾ നീക്കംചെയ്യുന്നു.

ഡോപ്പിംഗ് (Doping)

അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളുടെ വൈദ്യുതചാലകത മാറ്റുന്നതിനായി അവയിലേക്ക് മാലിന്യങ്ങൾ ചേർക്കുന്ന പ്രക്രിയയാണ് ഡോപ്പിംഗ്. എൻ-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗ് (കൂടുതൽ വാലൻസ് ഇലക്ട്രോണുകളുള്ള മൂലകങ്ങൾ ചേർക്കൽ, ഫോസ്ഫറസ് അല്ലെങ്കിൽ ആർസെനിക് പോലുള്ളവ), പി-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗ് (കുറഞ്ഞ വാലൻസ് ഇലക്ട്രോണുകളുള്ള മൂലകങ്ങൾ ചേർക്കൽ, ബോറോൺ അല്ലെങ്കിൽ ഗാലിയം പോലുള്ളവ) എന്നിവയാണ് പ്രധാനപ്പെട്ട രണ്ട് തരം ഡോപ്പിംഗ്. ഡോപ്പിംഗ് സാധാരണയായി അയോൺ ഇംപ്ലാന്റേഷൻ അല്ലെങ്കിൽ ഡിഫ്യൂഷൻ വഴിയാണ് ചെയ്യുന്നത്.

നേർത്ത പാളി നിക്ഷേപം (Thin Film Deposition)

വേഫറിൽ വിവിധ വസ്തുക്കളുടെ നേർത്ത പാളികൾ നിക്ഷേപിക്കാൻ തിൻ ഫിലിം ഡിപോസിഷൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു. സാധാരണ നിക്ഷേപ രീതികളിൽ ഉൾപ്പെടുന്നവ:

• കെമിക്കൽ വേപ്പർ ഡിപോസിഷൻ (CVD): വേഫറിന്റെ പ്രതലത്തിൽ ഒരു രാസപ്രവർത്തനം നടക്കുകയും ഒരു നേർത്ത പാളി നിക്ഷേപിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നു.
• ഫിസിക്കൽ വേപ്പർ ഡിപോസിഷൻ (PVD): ഒരു ടാർഗെറ്റിൽ നിന്ന് മെറ്റീരിയൽ ബാഷ്പീകരിക്കുകയോ സ്പട്ടർ ചെയ്യുകയോ ചെയ്ത് വേഫറിൽ നിക്ഷേപിക്കുന്നു.
• അറ്റോമിക് ലെയർ ഡിപോസിഷൻ (ALD): പാളികളായി നേർത്ത ഫിലിം നിക്ഷേപിക്കുന്നു, ഇത് ഫിലിമിന്റെ കനവും ഘടനയും കൃത്യമായി നിയന്ത്രിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നു.

മെറ്റലൈസേഷൻ

സർക്യൂട്ടിന്റെ വിവിധ ഭാഗങ്ങൾക്കിടയിൽ വൈദ്യുത കണക്ഷനുകൾ ഉണ്ടാക്കാനാണ് മെറ്റലൈസേഷൻ ഉപയോഗിക്കുന്നത്. സാധാരണയായി അലുമിനിയം അല്ലെങ്കിൽ കോപ്പർ പോലുള്ള ലോഹ പാളികൾ നിക്ഷേപിക്കുകയും ഇന്റർകണക്ഷനുകൾ രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിനായി പാറ്റേൺ ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു.

പരിശോധനയും പാക്കേജിംഗും

നിർമ്മാണത്തിന് ശേഷം, സർക്യൂട്ടുകൾ ശരിയായി പ്രവർത്തിക്കുന്നുണ്ടോ എന്ന് ഉറപ്പാക്കാൻ വേഫറുകൾ പരിശോധിക്കുന്നു. കേടായ സർക്യൂട്ടുകൾ ഉപേക്ഷിക്കുന്നു. പ്രവർത്തനക്ഷമമായ സർക്യൂട്ടുകളെ വേഫറിൽ നിന്ന് വേർതിരിച്ച് (ഡൈസിംഗ്) വ്യക്തിഗത ചിപ്പുകളായി പാക്കേജ് ചെയ്യുന്നു. പാക്കേജിംഗ് ചിപ്പിനെ പരിസ്ഥിതിയിൽ നിന്ന് സംരക്ഷിക്കുകയും പുറം ലോകത്തേക്ക് വൈദ്യുത കണക്ഷനുകൾ നൽകുകയും ചെയ്യുന്നു.

പ്രധാന അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങൾ

ഡയോഡുകൾ

പ്രധാനമായും ഒരു ദിശയിലേക്ക് മാത്രം വൈദ്യുതി കടത്തിവിടുന്ന രണ്ട് ടെർമിനലുകളുള്ള ഒരു ഇലക്ട്രോണിക് ഘടകമാണ് ഡയോഡ്. റെക്റ്റിഫയറുകൾ, വോൾട്ടേജ് റെഗുലേറ്ററുകൾ, സ്വിച്ചുകൾ തുടങ്ങിയ വിവിധ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ഡയോഡുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ

ഒരു സ്വിച്ച് ആയോ അല്ലെങ്കിൽ ആംപ്ലിഫയർ ആയോ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയുന്ന മൂന്ന് ടെർമിനലുകളുള്ള ഒരു ഇലക്ട്രോണിക് ഘടകമാണ് ട്രാൻസിസ്റ്റർ. രണ്ട് പ്രധാന തരം ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ഇവയാണ്:

• ബൈപോളാർ ജംഗ്ഷൻ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ (BJTs): BJTs വൈദ്യുതി കടത്തിവിടാൻ ഇലക്ട്രോണുകളും ഹോളുകളും ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• ഫീൽഡ്-എഫക്റ്റ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ (FETs): FET-കൾ കറന്റ് ഫ്ലോ നിയന്ത്രിക്കാൻ ഒരു ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡ് ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഏറ്റവും സാധാരണമായ FET തരം മെറ്റൽ-ഓക്സൈഡ്-സെമികണ്ടക്ടർ ഫീൽഡ്-എഫക്റ്റ് ട്രാൻസിസ്റ്റർ (MOSFET) ആണ്.

ആധുനിക ഡിജിറ്റൽ സർക്യൂട്ടുകളുടെ പ്രധാന ഘടകമാണ് മോസ്ഫെറ്റുകൾ (MOSFETs). മൈക്രോപ്രൊസസ്സറുകൾ മുതൽ മെമ്മറി ചിപ്പുകൾ വരെ എല്ലാത്തിലും ഇവ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകൾ (ICs)

ഒരു ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട് (IC), മൈക്രോചിപ്പ് അല്ലെങ്കിൽ ചിപ്പ് എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു, ഇത് ഒരൊറ്റ അർദ്ധചാലക സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൽ നിർമ്മിച്ച ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ, ഡയോഡുകൾ, റെസിസ്റ്ററുകൾ, കപ്പാസിറ്ററുകൾ തുടങ്ങിയ നിരവധി ഘടകങ്ങൾ അടങ്ങിയ ഒരു ചെറിയ ഇലക്ട്രോണിക് സർക്യൂട്ടാണ്. ചെറിയ രൂപത്തിൽ സങ്കീർണ്ണമായ ഇലക്ട്രോണിക് സിസ്റ്റങ്ങൾ നിർമ്മിക്കാൻ IC-കൾ അനുവദിക്കുന്നു.

മൂർസ് ലോയും സ്കെയിലിംഗും

1965-ൽ ഗോർഡൻ മൂർ മുന്നോട്ടുവെച്ച മൂർസ് ലോ പ്രകാരം, ഒരു മൈക്രോചിപ്പിലെ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടെ എണ്ണം ഏകദേശം ഓരോ രണ്ട് വർഷത്തിലും ഇരട്ടിയാകുന്നു. ഇത് കഴിഞ്ഞ ഏതാനും ദശാബ്ദങ്ങളായി ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളുടെ പ്രകടനത്തിലും കഴിവുകളിലും വലിയ വർദ്ധനവിന് കാരണമായി. എന്നിരുന്നാലും, ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ചെറുതാകുന്തോറും മൂർസ് ലോ നിലനിർത്തുന്നത് കൂടുതൽ ബുദ്ധിമുട്ടായിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നു. വെല്ലുവിളികളിൽ ഉൾപ്പെടുന്നവ:

• ക്വാണ്ടം ഇഫക്റ്റുകൾ: വളരെ ചെറിയ അളവുകളിൽ, ക്വാണ്ടം ഇഫക്റ്റുകൾ പ്രാധാന്യമർഹിക്കുകയും ഉപകരണത്തിന്റെ പ്രകടനത്തെ ബാധിക്കുകയും ചെയ്യും.
• പവർ ഡിസിപ്പേഷൻ: ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾക്ക് സാന്ദ്രത കൂടുമ്പോൾ, പവർ ഡിസിപ്പേഷൻ വർദ്ധിക്കുകയും ഇത് അമിതമായി ചൂടാകുന്ന പ്രശ്നങ്ങളിലേക്ക് നയിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.
• നിർമ്മാണ സങ്കീർണ്ണത: ചെറിയ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിന് കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണവും ചെലവേറിയതുമായ നിർമ്മാണ പ്രക്രിയകൾ ആവശ്യമാണ്.

ഈ വെല്ലുവിളികൾക്കിടയിലും, ഗവേഷകരും എഞ്ചിനീയർമാരും ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടെ വലുപ്പം കുറയ്ക്കുന്നതിനും ഉപകരണങ്ങളുടെ പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനും പുതിയ വസ്തുക്കളും നിർമ്മാണ രീതികളും നിരന്തരം വികസിപ്പിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു.

അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യയിലെ പുതിയ പ്രവണതകൾ

പുതിയ വസ്തുക്കൾ

അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങളിൽ സിലിക്കണിന് പകരമായി അല്ലെങ്കിൽ അതിനെ പൂർത്തീകരിക്കാൻ ഗവേഷകർ പുതിയ വസ്തുക്കൾ പരീക്ഷിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. അവയിൽ ഉൾപ്പെടുന്നവ:

• ദ്വിമാന വസ്തുക്കൾ (Two-Dimensional Materials): ഗ്രാഫീൻ, മോളിബ്ഡിനം ഡൈസൾഫൈഡ് (MoS2) പോലുള്ള വസ്തുക്കൾ സവിശേഷമായ ഇലക്ട്രോണിക് ഗുണങ്ങൾ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു, ഇവ വളരെ നേർത്ത ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും മറ്റ് ഉപകരണങ്ങളും നിർമ്മിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കാം.
• ഹൈ-കെ ഡൈഇലക്ട്രിക്സ് (High-k Dielectrics): സിലിക്കൺ ഡയോക്സൈഡിനേക്കാൾ ഉയർന്ന ഡൈഇലക്ട്രിക് കോൺസ്റ്റന്റ് ഉള്ള വസ്തുക്കൾ MOSFET-കളിലെ ലീക്കേജ് കറന്റ് കുറയ്ക്കാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു.
• III-V അർദ്ധചാലകങ്ങൾ: GaN, InP പോലുള്ള സംയുക്ത അർദ്ധചാലകങ്ങൾ ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, ഉയർന്ന പവർ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

3D ഇന്റഗ്രേഷൻ

ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ടുകളുടെ സാന്ദ്രതയും പ്രകടനവും വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനായി അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങളുടെ ഒന്നിലധികം പാളികൾ ഒന്നിനു മുകളിൽ ഒന്നായി അടുക്കുന്നതിനെയാണ് 3D ഇന്റഗ്രേഷൻ എന്ന് പറയുന്നത്. ഈ സാങ്കേതികവിദ്യ ചെറിയ ഇന്റർകണക്ട് ദൈർഘ്യം, കുറഞ്ഞ ഊർജ്ജ ഉപഭോഗം, വർദ്ധിച്ച ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് എന്നിവയുൾപ്പെടെ നിരവധി ഗുണങ്ങൾ നൽകുന്നു.

ന്യൂറോമോർഫിക് കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്

കൂടുതൽ കാര്യക്ഷമവും ശക്തവുമായ കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നതിനായി മനുഷ്യ മസ്തിഷ്കത്തിന്റെ ഘടനയും പ്രവർത്തനവും അനുകരിക്കാൻ ന്യൂറോമോർഫിക് കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് ലക്ഷ്യമിടുന്നു. ഈ സമീപനത്തിൽ സമാന്തര പ്രോസസ്സിംഗ് നടത്താനും ഡാറ്റയിൽ നിന്ന് പഠിക്കാനും കഴിയുന്ന പുതിയ തരം ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളും ആർക്കിടെക്ചറുകളും ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്

ക്ലാസിക്കൽ കമ്പ്യൂട്ടറുകൾക്ക് അസാധ്യമായ കണക്കുകൂട്ടലുകൾ നടത്താൻ ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് സൂപ്പർപൊസിഷൻ, എൻടാങ്കിൾമെന്റ് തുടങ്ങിയ ക്വാണ്ടം-മെക്കാനിക്കൽ പ്രതിഭാസങ്ങൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. മരുന്ന് കണ്ടെത്തൽ, മെറ്റീരിയൽസ് സയൻസ്, ക്രിപ്റ്റോഗ്രഫി തുടങ്ങിയ മേഖലകളിൽ വിപ്ലവം സൃഷ്ടിക്കാൻ ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടറുകൾക്ക് കഴിയും.

ആഗോള അർദ്ധചാലക വ്യവസായം

ലോകത്തിന്റെ വിവിധ രാജ്യങ്ങളിൽ പ്രധാന കമ്പനികളുള്ള ഒരു ആഗോള വ്യവസായമാണ് അർദ്ധചാലക വ്യവസായം. പ്രധാന പ്രദേശങ്ങളിൽ ഉൾപ്പെടുന്നവ:

• യുണൈറ്റഡ് സ്റ്റേറ്റ്സ്: ഇന്റൽ, എഎംഡി, ക്വാൽകോം എന്നിവയുൾപ്പെടെ ലോകത്തെ പ്രമുഖ അർദ്ധചാലക കമ്പനികളുടെ ആസ്ഥാനം.
• തായ്‌വാൻ: ടിഎസ്എംസി, യുഎംസി തുടങ്ങിയ കമ്പനികൾ ഫൗണ്ടറി വിപണിയിൽ ആധിപത്യം പുലർത്തുന്ന, അർദ്ധചാലക നിർമ്മാണത്തിന്റെ ഒരു പ്രധാന കേന്ദ്രം.
• ദക്ഷിണ കൊറിയ: മെമ്മറി ചിപ്പുകളുടെയും മറ്റ് അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങളുടെയും പ്രമുഖ നിർമ്മാതാക്കളായ സാംസങ്ങിന്റെയും എസ്കെ ഹൈനിക്സിന്റെയും ആസ്ഥാനം.
• ചൈന: ആഭ്യന്തര നിർമ്മാണ ശേഷിയിൽ വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന നിക്ഷേപത്തോടെ അതിവേഗം വളരുന്ന ഒരു അർദ്ധചാലക വിപണി.
• ജപ്പാൻ: ഓട്ടോമോട്ടീവ് അർദ്ധചാലകങ്ങളിലും മറ്റ് ഇലക്ട്രോണിക് ഘടകങ്ങളിലും വൈദഗ്ധ്യമുള്ള റെനെസാസ് ഇലക്ട്രോണിക്സ്, തോഷിബ തുടങ്ങിയ കമ്പനികളുടെ ആസ്ഥാനം.
• യൂറോപ്പ്: ഇൻഫിനിയോൺ, എൻഎക്സ്പി തുടങ്ങിയ കമ്പനികളുമായി ഓട്ടോമോട്ടീവ്, വ്യാവസായിക, സുരക്ഷാ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു.

ആഗോള അർദ്ധചാലക വ്യവസായം വളരെ മത്സരാധിഷ്ഠിതമാണ്. കമ്പനികൾ പുതിയ മെറ്റീരിയലുകൾ, ഉപകരണങ്ങൾ, നിർമ്മാണ പ്രക്രിയകൾ എന്നിവ വികസിപ്പിക്കുന്നതിന് നിരന്തരം നവീകരിക്കുന്നു. സർക്കാർ നയങ്ങൾ, വ്യാപാര കരാറുകൾ, ഭൗമരാഷ്ട്രീയ ഘടകങ്ങൾ എന്നിവയും വ്യവസായത്തെ രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിൽ ഒരു പ്രധാന പങ്ക് വഹിക്കുന്നു.

അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ ഭാവി

വേഗതയേറിയതും ചെറുതും കൂടുതൽ ഊർജ്ജക്ഷമവുമായ ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾക്കായുള്ള വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന ആവശ്യം കാരണം അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യ നിരന്തരം വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു. അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ ഭാവിയിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടാൻ സാധ്യതയുണ്ട്:

• തുടർച്ചയായ സ്കെയിലിംഗ്: ചെറുതും ശക്തവുമായ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നതിനായി പുതിയ മെറ്റീരിയലുകളും നിർമ്മാണ രീതികളും പരീക്ഷിച്ച് ഗവേഷകർ മിനിയേച്ചറൈസേഷന്റെ പരിധികൾ നീട്ടുന്നത് തുടരും.
• കൂടുതൽ സവിശേഷമായ ഉപകരണങ്ങൾ: ആർട്ടിഫിഷ്യൽ ഇന്റലിജൻസ്, ഇന്റർനെറ്റ് ഓഫ് തിംഗ്സ് (IoT), ഓട്ടോമോട്ടീവ് ഇലക്ട്രോണിക്സ് തുടങ്ങിയ പ്രത്യേക ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കായി അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങൾ കൂടുതൽ സവിശേഷമാകും.
• കൂടുതൽ ഏകീകരണം: 3D ഇന്റഗ്രേഷനും മറ്റ് നൂതന പാക്കേജിംഗ് സാങ്കേതികവിദ്യകളും കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണവും സംയോജിതവുമായ സിസ്റ്റങ്ങൾ നിർമ്മിക്കാൻ പ്രാപ്തമാക്കും.
• സുസ്ഥിരമായ നിർമ്മാണം: പാരിസ്ഥിതിക ആഘാതം കുറയ്ക്കുന്നതിലും സുസ്ഥിരമായ നിർമ്മാണ രീതികൾ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നതിലും ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കും.

ഇലക്ട്രോണിക് മെറ്റീരിയലുകളുടെയും അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യയുടെയും അടിസ്ഥാന തത്വങ്ങൾ മനസ്സിലാക്കുന്നതിലൂടെ, വ്യക്തികൾക്കും ഓർഗനൈസേഷനുകൾക്കും ഈ ചലനാത്മകവും അതിവേഗം വികസിക്കുന്നതുമായ മേഖലയിലെ വെല്ലുവിളികളും അവസരങ്ങളും നന്നായി കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ കഴിയും.

ഉപസംഹാരം

അസംഖ്യം ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾക്കും സിസ്റ്റങ്ങൾക്കും അടിത്തറ നൽകുന്ന ആധുനിക സമൂഹത്തിന്റെ ഒരു നിർണായക ഘടകമാണ് അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യ. നമ്മൾ കൂടുതൽ ഡിജിറ്റൽ ലോകത്തേക്ക് നീങ്ങുമ്പോൾ, അർദ്ധചാലകങ്ങളുടെ പ്രാധാന്യം വർദ്ധിക്കുകയേയുള്ളൂ. ഈ ഗൈഡ് ഇലക്ട്രോണിക് മെറ്റീരിയലുകളെക്കുറിച്ചുള്ള ഒരു സമഗ്രമായ അവലോകനം നൽകി, അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യ, പ്രധാന വസ്തുക്കൾ, നിർമ്മാണ പ്രക്രിയകൾ, ഭാവിയിലെ പ്രവണതകൾ എന്നിവയിൽ ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്നു. ഈ അടിസ്ഥാന ആശയങ്ങൾ മനസ്സിലാക്കുന്നതിലൂടെ, വായനക്കാർക്ക് അർദ്ധചാലക വ്യവസായത്തിന്റെ സങ്കീർണ്ണതകളെയും വെല്ലുവിളികളെയും ആഗോള സമ്പദ്‌വ്യവസ്ഥയിൽ അതിന്റെ സ്വാധീനത്തെയും കുറിച്ച് ആഴത്തിൽ മനസ്സിലാക്കാൻ കഴിയും.