Siliciu, carbură de siliciu și nitrură de galiu

În spatele produselor digitale utilizate obișnuit și vehiculelor electrice de înaltă tehnologie, stația de bază 5G, există 3 materiale semiconductoare de bază: siliciu, carbură de siliciu și nitrură de galiu care conduc industria. Nu sunt alternativi unul pentru celălalt, sunt experți într-o echipă și au efort de neînlocuit pe diferite câmpuri de luptă. Înțelegând diviziunea lor a muncii, putem vedea arborele de dezvoltare al industriei electronice moderne.

1.Siliciu: Piatra de bază a circuitelor integrate

Siliciul este, fără îndoială, regele semiconductorilor, guvernează întregul domeniu al calculului extrem de integrat și complex. CPU-ul computerului, SoC mobil, procesoarele grafice, memoria, memoria flash și diverse microcontrolere și cipuri logice digitale, aproape toate sunt construite pe bază de silicon.

De ce siliciul domină acest domeniu

1) Grad integrat excelent

Siliciul are proprietăți excelente de material, poate fi cultivat un film izolator perfect de SiO2 la suprafață prin procesul de oxidare termică. Această proprietate este baza pentru construirea tranzistorului CMOS, integrând miliarde chiar și zece miliarde de tranzistori pe o bucată mică de cip, pentru a realiza funcțiile logistice extrem de complexe.

2) Proces matur și cost redus

Prin dezvoltarea a mai mult de jumătate de secol, procesul de siliciu este rezultatul întregii civilizații industriale umane. De la purificare, tragerea cristalelor, la fotolitografie, gravare, a format un lanț industrial matur și uriaș, pentru a produce cristal de înaltă calitate, cu o scară uimitoare și un cost extrem de scăzut.

3) Echilibru bun

Siliciul realizează cel mai bun echilibru între conductivitate, viteza de comutare, costul de producție și performanța termică. Deși s-ar putea să nu se potrivească cu performanța materialului său parvenit în performanțe extreme, este perfect adecvat și cea mai economică alegere pentru manipularea semnalelor digitale complexe și a operațiunilor logice.

2.Carbură de siliciu: Power Guardians pe câmpul de luptă de înaltă tensiune

SiC este materialul de revoluție în câmpul de înaltă tensiune și putere mare. Este folosit în principal în „dispozitive de putere” pentru conversia și controlul puterii. Cum ar fi invertorul principal, încărcătorul de bord, convertorul DC-DC în vehiculele cu energie nouă; stații de conversie a rețelei inteligente, motoare industriale și tranzit feroviar în industrie și rețea electrică; invertoare fotovoltaice și convertoare de energie eoliană în industria de generare a energiei noi.

De ce SiC este potrivit pentru aplicații de înaltă tensiune

1) Intensitatea câmpului electric de defalcare extrem de mare

Intensitatea câmpului electric de descompunere a SiC este de 10 ori mai mare decât cea a Siliciului. Înseamnă fabricarea aceluiași dispozitiv de rezistență la tensiune, stratul epitaxial de SiC poate fi mai subțire, concentrația de dopaj poate fi mai mare, pentru a reduce rezistența la pornire a dispozitivului. Când rezistența devine mai mică, pierderile de energie și generarea de căldură pot fi reduse semnificativ la conducție.

2) Conductivitate termică bună

Conductivitatea termică a SiC este de 3 ori mai mare decât a Siliciului. În aplicația de mare putere, încălzirea este „ucigașul de top”. Dispozitivul SiC poate scoate mai rapid încălzirea în sine, pentru a permite funcționarea stabilă a sistemului în condiții de densitate de putere mai mare sau pentru a simplifica sistemul de disipare a căldurii.

3) Capacitate de lucru la temperaturi ridicate

Temperatura de lucru a dispozitivului cu silicon este de obicei sub 175°C, în timp ce dispozitivul SiC poate funcționa stabil la peste 200°C. Acest lucru îl face mai fiabil în medii cu temperaturi ridicate și dure, cum ar fi sistemele electronice situate în apropierea motorului mașinii.

3.Nitrură de galiu: pionierul vitezei pe pista de înaltă frecvență

Avantajul principal al GaN este frecvența înaltă. Strălucește în două domenii:

Electronică de putere de înaltă frecvență (încărcare rapidă): cea mai răspândită aplicație în prezent, permițându-ne să folosim încărcătoare rapide GaN compacte și foarte eficiente.

Front-end RF: amplificatoare de putere în stațiile de bază de comunicații 5G și sistemele radar din industria de apărare.

De ce GaN este regele performanței de înaltă frecvență

1) Viteza de deplasare a saturației electronilor extrem de ridicată: electronii se mișcă extrem de rapid în materialele GaN, ceea ce înseamnă că tranzistoarele pot atinge viteze de comutare extrem de mari. Pentru comutarea surselor de alimentare, frecvențele de comutare mai mari permit utilizarea unor condensatoare și inductori mai mici și mai ușoare, permițând astfel miniaturizarea încărcătorului.

2) Tranzistor cu mobilitate ridicată a electronilor (HEMT): După cum este detaliat în articolul precedent, interfața de heterojuncție GaN-AlGaN poate forma automat un gaz de electroni bidimensionale (2DEG), cu concentrație și mobilitate extrem de ridicată a electronilor, rezultând o rezistență la pornire extrem de scăzută. Acest lucru oferă dispozitivelor GaN avantajele duble: pierderea scăzută a conducției și pierderea redusă la comutare în timpul comutării de mare viteză.

3) Bandgap mai larg: Similar cu carbura de siliciu, GaN are, de asemenea, un bandgap larg, ceea ce îl face rezistent la temperaturi ridicate și tensiuni înalte și mai robust decât siliciul.