Silicium, siliciumcarbid og galliumnitrid

Bag de almindeligt anvendte digitale produkter og højteknologiske elektriske køretøjer, 5G-basestation, er der 3 kernehalvledermaterialer: Silicium, Siliciumcarbid og Galliumnitrid, der driver industrien. De er ikke alternative for hinanden, de er eksperterne i et team og har den uerstattelige indsats på forskellige slagmarker. Ved at forstå deres arbejdsdeling kan vi se udviklingstræet for den moderne elektronikindustri.

1.Silicium: Grundstenen i de integrerede kredsløb

Silicium er utvivlsomt halvlederens konge, hersker over hele området for meget integreret og kompleks databehandling. Computerens CPU, mobile SoC, grafikprocessorer, hukommelse, flashhukommelse og forskellige mikrocontrollere og digitale logiske chips er næsten alle bygget på siliciumbase.

Hvorfor silicium dominerer dette felt

1) Fremragende integreret grad

Silicium har de store materialeegenskaber, det kan dyrkes en perfekt SiO2 isolerende film på overfladen gennem den termiske oxidationsproces. Denne egenskab er grundlaget for at bygge CMOS-transistorer, der integrerer milliarder, endda ti milliarder transistorer på et lille stykke chip, for at opnå de ekstremt komplekse logistiske funktioner.

2) Moden proces og lave omkostninger

Gennem mere end et halvt århundredes udvikling er siliciumprocessen resultatet af hele den menneskelige industrielle civilisation. Fra oprensning, krystaltrækning, til fotolitografi, ætsning, har det dannet en moden og enorme industrikæder, for at producere højkvalitetskrystal med forbløffende skala og ekstremt lave omkostninger.

3) God balance

Silicium opnår den bedste balance mellem ledningsevne, omskiftningshastighed, fremstillingsomkostninger og termisk ydeevne. Selvom det måske ikke matcher ydeevnen af ​​dets upstart-materiale i ekstrem ydeevne, er det helt passende og det mest økonomiske valg til håndtering af komplekse digitale signaler og logiske operationer.

2.Siliciumcarbid: Power Guardians på High-volt Battlefield

SiC er revolutionsmaterialet inden for højvolts- og højeffektområdet. Det bruges hovedsageligt i "power-enheder" til strømkonvertering og -styring. Såsom hoveddrevinverter, indbygget oplader, DC-DC-konverter i nye energikøretøjer; smart grid-konverterstationer, industrielle motordrev og jernbanetransit i industri og elnet; fotovoltaiske invertere og vindkraftkonvertere i ny energiproduktionsindustri.

Hvorfor SiC egnet til højspændingsapplikationer

1) Ekstremt høj elektrisk nedbrydningsstyrke

Den elektriske nedbrydningsstyrke for SiC er 10 gange højere end for silicium. Det betyder, at man fremstiller den samme spændingsmodstandsanordning, det epitaksiale lag af SiC kan være tyndere, dopingkoncentrationen kan være højere for at reducere enhedens on-modstand. Når modstanden bliver lavere, kan energitabet og varmeudviklingen reduceres væsentligt ved ledning.

2) God varmeledningsevne

Termisk ledningsevne for SiC er 3 gange større end for silicium. I højeffektapplikationen er opvarmningen "top dræberen". SiC-enhed kan hurtigere udløbe selve opvarmningen for at tillade systemets stabile arbejde under højere effekttæthed eller forenkle varmeafledningssystemet.

3) Arbejdskapacitet ved høj temperatur

Arbejdstemperaturen på Silicon-enheden er typisk under 175°C, mens SiC-enheden kan arbejde stabilt ved over 200°C. Dette gør den mere pålidelig i høje temperaturer og barske miljøer, såsom elektroniske systemer placeret tæt på bilmotoren.

3.Galliumnitrid: hastighedspioneren på højfrekvensbanen

Kernefordelen ved GaN er højfrekvens. Det skinner i to felter:

Højfrekvent strømelektronik (hurtig opladning): den mest udbredte anvendelse i øjeblikket, hvilket gør os i stand til at bruge kompakte og højeffektive GaN-hurtigopladere.

RF front-end: Effektforstærkere i 5G kommunikationsbasestationer og radarsystemer i forsvarsindustrien.

Hvorfor GaN er kongen af ​​højfrekvent ydeevne

1) Ekstremt høj drifthastighed for elektronmætning: Elektroner bevæger sig ekstremt hurtigt i GaN-materialer, hvilket betyder, at transistorer kan opnå ekstremt høje koblingshastigheder. Til skift af strømforsyninger giver højere koblingsfrekvenser mulighed for brug af mindre og lettere kondensatorer og induktorer, hvilket muliggør miniaturisering af opladeren.

2) Transistor med høj elektronmobilitet (HEMT): Som beskrevet i den forrige artikel kan GaN-AlGaN heterojunction-grænsefladen automatisk danne en todimensionel elektrongas (2DEG) med ekstrem høj elektronkoncentration og mobilitet, hvilket resulterer i ekstremt lav on-modstand. Dette giver GaN-enheder de dobbelte fordele ved lavt ledningstab og lavt koblingstab under højhastighedsskift.

3) Bredere båndgab: I lighed med siliciumcarbid har GaN også et bredt båndgab, hvilket gør det modstandsdygtigt over for høje temperaturer og høje spændinger og mere robust end silicium.