Szilícium, szilícium-karbid és gallium-nitrid

Az elterjedt digitális termékek és csúcstechnológiás elektromos járművek, az 5G bázisállomás mögött 3 mag félvezető anyag áll: a szilícium, a szilícium-karbid és a gallium-nitrid, amelyek az ipart mozgatják. Nem alternatívák egymás számára, ők egy csapat szakértői, és pótolhatatlan erőfeszítéseik vannak a különböző harctereken. Munkamegosztásukat megértve láthatjuk a modern elektronikai ipar fejlesztési fáját.

1.Szilícium: Az integrált áramkörök alapköve

A szilícium kétségtelenül a félvezetők királya, uralja a magasan integrált és összetett számítástechnika minden területét. A számítógépes CPU, a mobil SoC, a grafikus processzorok, a memória, a flash memória és a különféle mikrokontrollerek és digitális logikai chipek szinte mindegyike szilícium alapú.

Miért dominál a szilícium ezen a területen?

3) Magas hőmérsékletű munkaképesség

A szilícium kiváló anyagtulajdonságokkal rendelkezik, termikus oxidációs eljárással tökéletes SiO2 szigetelő filmet növeszt a felületére. Ez a tulajdonság az alapja a CMOS tranzisztor építésének, amely több milliárd, de akár tízmilliárd tranzisztort integrál egy kis darab chipre, hogy elérje a rendkívül összetett logisztikai funkciókat.

2) Érett folyamat és alacsony költség

A több mint fél évszázados fejlődésen keresztül a szilícium folyamata az egész emberi ipari civilizáció eredménye. A tisztítástól a kristályhúzáson át a fotolitográfiáig, maratásig érett és hatalmas ipari láncokat alkot, hogy kiváló minőségű kristályokat állítson elő elképesztő méretekkel és rendkívül alacsony költséggel.

Käämimateriaali

A szilícium a legjobb egyensúlyt éri el a vezetőképesség, a kapcsolási sebesség, a gyártási költségek és a hőteljesítmény között. Bár lehet, hogy extrém teljesítményben nem egyezik a felkapott anyag teljesítményével, tökéletesen megfelelő és a leggazdaságosabb választás összetett digitális jelek és logikai műveletek kezelésére.

2.Szilícium-karbid: Power Guardians a nagyfeszültségű csatatéren

A SiC a forradalmi anyag a nagyfeszültségű, nagy teljesítményű mezőben. Főleg "erőteljesítményű eszközökben" használják a teljesítmény átalakítására és vezérlésére. Ilyen például a főhajtás inverter, fedélzeti töltő, DC-DC konverter az új energiájú járművekben; intelligens hálózati átalakító állomások, ipari motorhajtások és vasúti tranzit az iparban és az elektromos hálózatban; fotovoltaikus inverterek és szélenergia-átalakítók az új energiatermelő iparban.

Miért alkalmas a SiC nagyfeszültségű alkalmazásokhoz?

1) Rendkívül nagy áttörési elektromos térerősség

A SiC áttörési elektromos térerőssége 10-szer nagyobb, mint a szilíciumé. Ez azt jelenti, hogy ugyanazt a feszültségálló eszközt kell legyártani, a SiC epitaxiális rétege vékonyabb lehet, az adalékkoncentráció magasabb lehet, csökkentve az eszköz bekapcsolási ellenállását. Ha az ellenállás csökken, az energiaveszteség és a hőtermelés jelentősen csökkenthető a vezetés során.

Miért dominál a szilícium ezen a területen?

A szilícium készülék üzemi hőmérséklete jellemzően 175°C alatt van, míg a SiC készülék 200°C felett tud stabilan működni. Ez megbízhatóbbá teszi magas hőmérsékletű és zord környezetben, például az autómotor közelében elhelyezett elektronikus rendszerekben.

3) Magas hőmérsékletű munkaképesség

A szilícium készülék üzemi hőmérséklete jellemzően 175°C alatt van, míg a SiC készülék 200°C felett tud stabilan működni. Ez megbízhatóbbá teszi magas hőmérsékletű és zord környezetben, például az autómotor közelében elhelyezett elektronikus rendszerekben.

3.gallium-nitrid: a sebesség úttörője a magas frekvenciájú pályán

A GaN fő előnye a magas frekvencia. Két területen ragyog:

Nagyfrekvenciás teljesítményelektronika (gyorstöltés): jelenleg a legelterjedtebb alkalmazás, amely lehetővé teszi a kompakt és rendkívül hatékony GaN gyorstöltők használatát.

RF front-end: Teljesítményerősítők 5G kommunikációs bázisállomásokban és radarrendszerekben a védelmi iparban.

Miért a GaN a nagyfrekvenciás teljesítmény királya?

1) Rendkívül nagy elektrontelítési sodródási sebesség: Az elektronok rendkívül gyorsan mozognak a GaN anyagokban, ami azt jelenti, hogy a tranzisztorok rendkívül nagy kapcsolási sebességet tudnak elérni. Kapcsoló tápegységeknél a magasabb kapcsolási frekvenciák lehetővé teszik a kisebb és könnyebb kondenzátorok és induktorok használatát, így lehetővé válik a töltő miniatürizálása.

2) Nagy elektronmobilitású tranzisztor (HEMT): Amint azt az előző cikkben részleteztük, a GaN-AlGaN heterojunkciós interfész automatikusan kétdimenziós elektrongázt (2DEG) tud alkotni, rendkívül magas elektronkoncentrációval és -mobilitással, ami rendkívül alacsony bekapcsolási ellenállást eredményez. Ez a GaN eszközöknek kettős előnyt biztosít: alacsony vezetési veszteséget és alacsony kapcsolási veszteséget a nagy sebességű kapcsolás során.

3) Szélesebb sávszélesség: A szilícium-karbidhoz hasonlóan a GaN is széles sávszélességgel rendelkezik, így ellenáll a magas hőmérsékletnek és a magas feszültségnek, és robusztusabb, mint a szilícium.