Kremík, karbid kremíka a nitrid gália

Za bežne používanými digitálnymi produktmi a špičkovými elektrickými vozidlami, základňovou stanicou 5G, stoja 3 základné polovodičové materiály: kremík, karbid kremíka a nitrid gália, ktoré poháňajú toto odvetvie. Nie sú pre seba alternatívni, sú expertmi v tíme a majú nenahraditeľné úsilie na rôznych bojiskách. Pochopením ich deľby práce môžeme vidieť vývojový strom moderného elektronického priemyslu.

1.kremík: Základný kameň integrovaných obvodov

Kremík je nepochybne kráľom polovodičov, vládne celej oblasti vysoko integrovaných a komplexných výpočtov. Počítačový CPU, mobilný SoC, grafické procesory, pamäť, flash pamäť a rôzne mikrokontroléry a digitálne logické čipy, takmer všetky sú postavené na silikónovej báze.

Prečo v tejto oblasti dominuje kremík

1) Vynikajúci integrovaný stupeň

Kremík má skvelé materiálové vlastnosti, procesom tepelnej oxidácie z neho možno vypestovať dokonalý izolačný film SiO2 na povrchu. Táto vlastnosť je základom pre zostavenie tranzistora CMOS, ktorý integruje miliardy až desať miliárd tranzistorov na malý kúsok čipu, aby sa dosiahli extrémne zložité logistické funkcie.

2) Vyspelý proces a nízke náklady

Proces výroby kremíka je výsledkom viac ako polstoročného vývoja celej ľudskej priemyselnej civilizácie. Od čistenia, ťahania kryštálov až po fotolitografiu, leptanie, to vytvára vyspelé a obrovské priemyselné reťazce na výrobu vysokokvalitného kryštálu s úžasnou mierkou a extrémne nízkymi nákladmi.

3) Dobrá rovnováha

Kremík dosahuje najlepšiu rovnováhu medzi vodivosťou, rýchlosťou spínania, výrobnými nákladmi a tepelným výkonom. Aj keď v extrémnom výkone nemusí zodpovedať výkonu jeho prvotriedneho materiálu, je úplne adekvátnou a najekonomickejšou voľbou na spracovanie zložitých digitálnych signálov a logických operácií.

2.Karbid kremíka: Power Guardians na vysokovoltovom bojisku

SiC je revolučný materiál v oblasti vysokého napätia a vysokého výkonu. Používa sa hlavne v "výkonových zariadeniach" na konverziu a riadenie výkonu. Ako napríklad menič hlavného pohonu, palubná nabíjačka, DC-DC konvertor v nových energetických vozidlách; konvertorové stanice inteligentnej siete, priemyselné motorové pohony a železničná doprava v priemysle a rozvodnej sieti; fotovoltaické invertory a konvertory veternej energie v novom odvetví výroby energie.

Prečo SiC vhodný pre vysokonapäťové aplikácie

1) Mimoriadne vysoká prierazná intenzita elektrického poľa

Intenzita prierazného elektrického poľa SiC je 10-krát vyššia ako u kremíka. Znamená to výrobu rovnakého zariadenia odolávajúceho napätiu, epitaxná vrstva SiC môže byť tenšia, koncentrácia dopingu môže byť vyššia, aby sa znížil odpor zariadenia. Keď sa odpor zníži, straty energie a tvorba tepla sa môžu výrazne znížiť pri vedení.

2) Dobrá tepelná vodivosť

Tepelná vodivosť SiC je 3-krát vyššia ako u kremíka. Vo vysokovýkonných aplikáciách je vykurovanie „top zabijakom“. Zariadenie SiC môže rýchlejšie vypustiť samotné vykurovanie, aby umožnilo stabilnú prácu systému pri vyššej hustote výkonu alebo zjednodušilo systém odvodu tepla.

3) Pracovná kapacita pri vysokej teplote

Pracovná teplota kremíkového zariadenia je zvyčajne nižšia ako 175 ° C, zatiaľ čo zariadenie SiC môže stabilne pracovať pri teplote vyššej ako 200 ° C. Vďaka tomu je spoľahlivejší vo vysokoteplotnom a drsnom prostredí, ako sú elektronické systémy umiestnené v blízkosti motora automobilu.

3.Nitrid gália: priekopník rýchlosti na vysokofrekvenčnej trati

Hlavnou výhodou GaN je vysoká frekvencia. Svieti v dvoch poliach:

Vysokofrekvenčná výkonová elektronika (rýchle nabíjanie): v súčasnosti najrozšírenejšia aplikácia, ktorá nám umožňuje používať kompaktné a vysoko účinné rýchlonabíjačky GaN.

RF front-end: Výkonové zosilňovače v 5G komunikačných základňových staniciach a radarových systémoch v obrannom priemysle.

: Power Guardians na vysokovoltovom bojisku

1) Mimoriadne vysoká rýchlosť driftu saturácie elektrónov: Elektróny sa v materiáloch GaN pohybujú extrémne rýchlo, čo znamená, že tranzistory môžu dosahovať extrémne vysoké rýchlosti spínania. Pre spínané zdroje umožňujú vyššie spínacie frekvencie použitie menších a ľahších kondenzátorov a tlmiviek, čím umožňujú miniaturizáciu nabíjačky.

2) Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT): Ako je podrobne uvedené v predchádzajúcom článku, heterojunkčné rozhranie GaN-AlGaN môže automaticky vytvárať dvojrozmerný elektrónový plyn (2DEG) s extrémne vysokou koncentráciou elektrónov a pohyblivosťou, čo vedie k extrémne nízkemu odporu. To dáva zariadeniam GaN dvojité výhody nízkej vodivosti a nízkej spínacej straty počas vysokorýchlostného prepínania.

3) Širšia bandgap: Podobne ako karbid kremíka, GaN má tiež široký bandgap, vďaka čomu je odolný voči vysokým teplotám a vysokému napätiu a je robustnejší ako kremík.