Krzem, węglik krzemu i azotek galu

Za powszechnie używanymi produktami cyfrowymi i zaawansowanymi technologicznie pojazdami elektrycznymi, stacją bazową 5G, stoją 3 podstawowe materiały półprzewodnikowe: krzem, węglik krzemu i azotek galu, które napędzają branżę. Nie są dla siebie alternatywą, są ekspertami w zespole i mają niezastąpiony wysiłek na różnych polach bitew. Rozumiejąc ich podział pracy, możemy zobaczyć drzewo rozwoju współczesnego przemysłu elektronicznego.

1.Krzem: Podstawa układów scalonych

Krzem jest niewątpliwie królem półprzewodników, rządzi we wszystkich dziedzinach wysoce zintegrowanych i złożonych obliczeń. Procesor komputera, mobilny układ SoC, procesory graficzne, pamięć, pamięć flash oraz różne mikrokontrolery i cyfrowe układy logiczne, prawie wszystkie są zbudowane na bazie krzemu.

Dlaczego krzem dominuje w tej dziedzinie

1) Doskonały stopień zintegrowany

Krzem ma doskonałe właściwości materiałowe, dzięki procesowi utleniania termicznego można z niego wyhodować doskonałą warstwę izolacyjną SiO2 na powierzchni. Ta właściwość jest podstawą do budowy tranzystora CMOS, integrującego miliardy, a nawet dziesięć miliardów tranzystorów na małym kawałku chipa, w celu osiągnięcia ekstremalnie złożonych funkcji logistycznych.

2) Dojrzały proces i niski koszt

Przez ponad pół wieku rozwoju proces krzemu jest wynikiem całej ludzkiej cywilizacji przemysłowej. Od oczyszczania, wyciągania kryształów, po fotolitografię i trawienie, tworzy dojrzałe i ogromne łańcuchy przemysłowe, aby wyprodukować wysokiej jakości kryształ o zdumiewającej skali i wyjątkowo niskim koszcie.

3) Dobra równowaga

Krzem zapewnia najlepszą równowagę pomiędzy przewodnością, szybkością przełączania, kosztami produkcji i wydajnością cieplną. Chociaż może nie dorównywać wydajnością swojemu nowemu materiałowi w ekstremalnej wydajności, jest całkowicie odpowiedni i najbardziej ekonomiczny wybór do obsługi złożonych sygnałów cyfrowych i operacji logicznych.

2.Węglik krzemu: Strażnicy Mocy na polu bitwy wysokiego napięcia

SiC to rewolucyjny materiał w dziedzinie wysokiego napięcia i dużej mocy. Stosowany jest głównie w „urządzeniach zasilających” do konwersji i sterowania mocą. Takich jak falownik napędu głównego, ładowarka pokładowa, przetwornica DC-DC w pojazdach nowej energii; stacje przekształtnikowe inteligentnej sieci, przemysłowe napędy silnikowe i tranzyt kolejowy w przemyśle i sieci energetycznej; falowniki fotowoltaiczne i przetwornice wiatrowe w nowej branży energetyki.

Dlaczego SiC nadaje się do zastosowań wysokonapięciowych

1) Niezwykle wysokie natężenie pola elektrycznego w przebiciu

Natężenie pola elektrycznego przebicia SiC jest 10 razy wyższe niż w przypadku krzemu. Oznacza to wytworzenie tego samego urządzenia wytrzymującego napięcie, epitaksjalna warstwa SiC może być cieńsza, stężenie domieszki może być wyższe, aby zmniejszyć rezystancję urządzenia. Gdy opór spada, straty energii i wytwarzanie ciepła można znacznie zmniejszyć podczas przewodzenia.

2) Dobra przewodność cieplna

Przewodność cieplna SiC jest 3 razy większa niż krzemu. W zastosowaniach o dużej mocy ogrzewanie jest „najlepszym zabójcą”. Urządzenie SiC może szybciej odprowadzać ciepło, aby umożliwić stabilną pracę systemu przy większej gęstości mocy lub uprościć system odprowadzania ciepła.

3) Wydajność robocza w wysokiej temperaturze

Temperatura robocza urządzenia silikonowego zazwyczaj wynosi poniżej 175°C, natomiast urządzenie SiC może stabilnie pracować w temperaturze powyżej 200°C. Dzięki temu jest bardziej niezawodny w wysokich temperaturach i trudnych warunkach, takich jak układy elektroniczne umieszczone blisko silnika samochodu.

3.azotek galu: pionier prędkości na torze o wysokiej częstotliwości

Podstawową zaletą GaN jest wysoka częstotliwość. Świeci na dwóch polach:

Energoelektronika wysokiej częstotliwości (szybkie ładowanie): obecnie najbardziej rozpowszechnione zastosowanie, umożliwiające stosowanie kompaktowych i wysoce wydajnych szybkich ładowarek GaN.

Front-end RF: Wzmacniacze mocy w stacjach bazowych komunikacji 5G i systemach radarowych w przemyśle obronnym.

Dlaczego GaN jest królem wydajności w zakresie wysokich częstotliwości

1) Niezwykle wysoka prędkość dryfu nasycenia elektronami: Elektrony poruszają się niezwykle szybko w materiałach GaN, co oznacza, że ​​tranzystory mogą osiągać niezwykle wysokie prędkości przełączania. W przypadku zasilaczy impulsowych wyższe częstotliwości przełączania pozwalają na zastosowanie mniejszych i lżejszych kondensatorów i cewek, umożliwiając w ten sposób miniaturyzację ładowarek.

2) Tranzystor o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT): Jak szczegółowo opisano w poprzednim artykule, interfejs heterozłącza GaN-AlGaN może automatycznie tworzyć dwuwymiarowy gaz elektronowy (2DEG) o wyjątkowo wysokim stężeniu i ruchliwości elektronów, co skutkuje wyjątkowo niską rezystancją włączenia. Daje to urządzeniom GaN podwójną zaletę: niskie straty przewodzenia i niskie straty przełączania podczas szybkiego przełączania.

3) Szerszy pasmo wzbronione: Podobnie jak węglik krzemu, GaN ma również szerokie pasmo wzbronione, dzięki czemu jest odporny na wysokie temperatury i wysokie napięcia oraz jest bardziej wytrzymały niż krzem.