Silisium, silisiumkarbid og galliumnitrid

Bak de vanlig brukte digitale produktene og høyteknologiske elektriske kjøretøyene, 5G-basestasjonen, er det tre kjernehalvledermaterialer: Silisium, Silisiumkarbid og Galliumnitrid som driver industrien. De er ikke alternative for hverandre, de er ekspertene i et team, og har den uerstattelige innsatsen på forskjellige slagmarker. Når vi forstår deres arbeidsfordeling, kan vi se utviklingstreet til den moderne elektronikkindustrien.

1.Silisium: Grunnsteinen til de integrerte kretsene

Silisium er utvilsomt kongen av halvledere, styrer hele feltet av svært integrert og kompleks databehandling. Datamaskinens CPU, mobil SoC, grafikkprosessorer, minne, flashminne og ulike mikrokontrollere og digitale logikkbrikker, nesten alle er bygget på silisiumbase.

Hvorfor silisium dominerer dette feltet

1) Utmerket integrert grad

Silisium har de gode materialegenskapene, det kan dyrkes en perfekt SiO2 isolerende film på overflaten gjennom den termiske oksidasjonsprosessen. Denne egenskapen er basen for å bygge CMOS-transistorer, og integrerer milliarder til og med ti milliarder transistorer på et lite stykke brikke, for å oppnå ekstremt komplekse logistiske funksjoner.

2) Moden prosess og lave kostnader

Gjennom mer enn et halvt århundres utvikling er prosessen med silisium resultatet av hele den menneskelige industrielle sivilisasjonen. Fra rensing, krystalltrekking, til fotolitografi, etsing, har det dannet en moden og enorme industrikjeder, for å produsere høykvalitetskrystall med forbløffende skala og ekstremt lave kostnader.

3) God balanse

Silisium oppnår den beste balansen mellom konduktivitet, byttehastighet, produksjonskostnad og termisk ytelse. Selv om den kanskje ikke matcher ytelsen til oppkomlingens materiale i ekstrem ytelse, er den helt adekvat og det mest økonomiske valget for å håndtere komplekse digitale signaler og logiske operasjoner.

2.Silisiumkarbid: Power Guardians på høyvoltslagmarken

SiC er revolusjonsmaterialet i høyvolts- og høyeffektfeltet. Den brukes hovedsakelig i "strømenheter" for strømkonvertering og kontroll. Som for eksempel hoveddrevinverter, innebygd lader, DC-DC-omformer i nye energikjøretøyer; omformerstasjoner for smarte nett, industrielle motordrev og jernbanetransport i industri og kraftnett; solcelleomformere og vindkraftomformere i ny energikraftproduksjonsindustri.

Hvorfor SiC egnet for høyspenningsapplikasjoner

1) Ekstremt høy sammenbrudd elektrisk feltstyrke

Den elektriske nedbrytningsstyrken til SiC er 10 ganger høyere enn for silisium. Det betyr å lage den samme spenningsmotstandsenheten, det epitaksiale laget av SiC kan være tynnere, dopingkonsentrasjonen kan være høyere, for å redusere på-motstanden til enheten. Når motstanden blir lavere, kan energitapet og varmeutviklingen reduseres betydelig ved ledning.

2) God varmeledningsevne

Termisk ledningsevne for SiC er 3 ganger den for silisium. I høyeffektapplikasjonen er oppvarmingen "toppdreperen". SiC-enhet kan raskere slippe ut selve oppvarmingen, for å tillate systemets stabile arbeid under høyere effekttetthet, eller forenkle varmeavledningssystemet.

3) Arbeidskapasitet ved høy temperatur

Arbeidstemperaturen til silisiumenheten er vanligvis under 175 °C, mens SiC-enheten kan fungere stabilt ved over 200 °C. Dette gjør den mer pålitelig i høye temperaturer og tøffe miljøer, for eksempel elektroniske systemer plassert nær bilmotoren.

3.Galliumnitrid: fartspioneren på høyfrekvente spor

Kjernefordelen med GaN er høyfrekvens. Det skinner i to felt:

Høyfrekvent kraftelektronikk (hurtiglading): den mest utbredte applikasjonen for tiden, som gjør at vi kan bruke kompakte og svært effektive GaN hurtigladere.

RF front-end: Effektforsterkere i 5G kommunikasjonsbasestasjoner og radarsystemer i forsvarsindustrien.

Hvorfor GaN er kongen av høyfrekvent ytelse

1) Ekstremt høy drifthastighet for elektronmetning: Elektroner beveger seg ekstremt raskt i GaN-materialer, noe som betyr at transistorer kan oppnå ekstremt høye byttehastigheter. For å bytte strømforsyning tillater høyere svitsjefrekvenser bruk av mindre og lettere kondensatorer og induktorer, og muliggjør dermed miniatyrisering av laderen.

Den elektriske nedbrytningsstyrken til SiC er 10 ganger høyere enn for silisium. Det betyr å lage den samme spenningsmotstandsenheten, det epitaksiale laget av SiC kan være tynnere, dopingkonsentrasjonen kan være høyere, for å redusere på-motstanden til enheten. Når motstanden blir lavere, kan energitapet og varmeutviklingen reduseres betydelig ved ledning.

3) Bredere båndgap: I likhet med silisiumkarbid har GaN også et bredt båndgap, noe som gjør det motstandsdyktig mot høye temperaturer og høye spenninger, og mer robust enn silisium.