Πυρίτιο, καρβίδιο του πυριτίου και νιτρίδιο του γαλλίου

Πίσω από τα κοινά χρησιμοποιούμενα ψηφιακά προϊόντα και τα ηλεκτρικά οχήματα υψηλής τεχνολογίας, τον σταθμό βάσης 5G, υπάρχουν 3 βασικά υλικά ημιαγωγών: πυρίτιο, καρβίδιο πυριτίου και νιτρίδιο του γαλλίου που οδηγούν τη βιομηχανία. Δεν είναι εναλλακτικοί ο ένας για τον άλλον, είναι οι ειδικοί σε μια ομάδα και έχουν την αναντικατάστατη προσπάθεια σε διαφορετικά πεδία μάχης. Κατανοώντας τον καταμερισμό εργασίας τους, μπορούμε να δούμε το δέντρο ανάπτυξης της σύγχρονης βιομηχανίας ηλεκτρονικών.

1.Πυρίτιο: Ο λίθος βάσης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων

Το πυρίτιο επιτυγχάνει την καλύτερη ισορροπία μεταξύ της αγωγιμότητας, της ταχύτητας μεταγωγής, του κόστους κατασκευής και της θερμικής απόδοσης. Αν και μπορεί να μην ταιριάζει με την απόδοση του πρωτοποριακού υλικού του σε εξαιρετική απόδοση, είναι απολύτως επαρκής και η πιο οικονομική επιλογή για το χειρισμό πολύπλοκων ψηφιακών σημάτων και λογικών λειτουργιών.

Καρβίδιο του πυριτίου

1) Άριστα ολοκληρωμένο πτυχίο

Το πυρίτιο έχει τις εξαιρετικές ιδιότητες του υλικού, μπορεί να αναπτυχθεί ένα τέλειο μονωτικό φιλμ SiO2 στην επιφάνεια μέσω της διαδικασίας θερμικής οξείδωσης. Αυτή η ιδιότητα είναι η βάση για την κατασκευή τρανζίστορ CMOS, ενσωματώνοντας δισεκατομμύρια ακόμη και δέκα δισεκατομμύρια τρανζίστορ σε ένα μικρό κομμάτι τσιπ, για την επίτευξη των ακραίων πολύπλοκων λογιστικών λειτουργιών.

2) Ώριμη διαδικασία και χαμηλό κόστος

Μέσα από ανάπτυξη περισσότερο από μισό αιώνα, η διαδικασία του πυριτίου είναι το αποτέλεσμα ολόκληρου του ανθρώπινου βιομηχανικού πολιτισμού. Από τον καθαρισμό, το τράβηγμα κρυστάλλων, τη φωτολιθογραφία, τη χάραξη, έχει σχηματίσει μια ώριμη και τεράστια βιομηχανία αλυσίδων, για την παραγωγή του κρυστάλλου υψηλής ποιότητας με εκπληκτική κλίμακα και εξαιρετικά χαμηλό κόστος.

3) Καλή ισορροπία

Το πυρίτιο επιτυγχάνει την καλύτερη ισορροπία μεταξύ της αγωγιμότητας, της ταχύτητας μεταγωγής, του κόστους κατασκευής και της θερμικής απόδοσης. Αν και μπορεί να μην ταιριάζει με την απόδοση του πρωτοποριακού υλικού του σε εξαιρετική απόδοση, είναι απολύτως επαρκής και η πιο οικονομική επιλογή για το χειρισμό πολύπλοκων ψηφιακών σημάτων και λογικών λειτουργιών.

2.Καρβίδιο του πυριτίου: Power Guardians στο High-volt Battlefield

Το SiC είναι το υλικό επανάστασης στο πεδίο υψηλής ισχύος και υψηλής ισχύος. Χρησιμοποιείται κυρίως σε «συσκευές ισχύος» για μετατροπή και έλεγχο ισχύος. Όπως μετατροπέας κύριας μετάδοσης κίνησης, φορτιστής οχήματος, μετατροπέας DC-DC σε οχήματα νέας ενέργειας. Σταθμοί μετατροπέων έξυπνου δικτύου, βιομηχανικοί κινητήρες και σιδηροδρομικές μεταφορές στη βιομηχανία και το ηλεκτρικό δίκτυο. φωτοβολταϊκοί μετατροπείς και μετατροπείς αιολικής ενέργειας στη βιομηχανία παραγωγής νέας ενέργειας.

Γιατί το SiC είναι κατάλληλο για εφαρμογές υψηλής τάσης

1) Εξαιρετικά υψηλή ισχύς ηλεκτρικού πεδίου διάσπασης

Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου διάσπασης του SiC είναι 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή του πυριτίου. Σημαίνει την κατασκευή της ίδιας συσκευής αντοχής τάσης, το επιταξιακό στρώμα του SiC μπορεί να είναι λεπτότερο, η συγκέντρωση ντόπινγκ μπορεί να είναι υψηλότερη, για να μειωθεί η αντίσταση στη συσκευή. Όταν η αντίσταση γίνεται χαμηλότερη, η απώλεια ενέργειας και η παραγωγή θερμότητας μπορεί να μειωθούν σημαντικά κατά την αγωγή.

2) Καλή θερμική αγωγιμότητα

Η θερμική αγωγιμότητα του SiC είναι 3 φορές μεγαλύτερη από αυτή του πυριτίου. Στην εφαρμογή υψηλής ισχύος, η θέρμανση είναι ο «κορυφαίος δολοφόνος». Η συσκευή SiC μπορεί να εξάγει πιο γρήγορα την ίδια τη θέρμανση, για να επιτρέψει τη σταθερή εργασία του συστήματος σε υψηλότερη πυκνότητα ισχύος ή να απλοποιήσει το σύστημα απαγωγής θερμότητας.

3) Χωρητικότητα εργασίας υψηλής θερμοκρασίας

Η θερμοκρασία λειτουργίας της συσκευής πυριτίου είναι συνήθως κάτω από 175°C, ενώ η συσκευή SiC μπορεί να λειτουργεί σταθερά σε πάνω από 200°C. Αυτό το καθιστά πιο αξιόπιστο σε υψηλές θερμοκρασίες και σκληρά περιβάλλοντα, όπως ηλεκτρονικά συστήματα που βρίσκονται κοντά στον κινητήρα του αυτοκινήτου.

3.Νιτρίδιο του Γάλλιου: ο πρωτοπόρος ταχύτητας στην πίστα υψηλών συχνοτήτων

Το βασικό πλεονέκτημα του GaN είναι η υψηλή συχνότητα. Λάμπει σε δύο πεδία:

Ηλεκτρονικά ισχύος υψηλής συχνότητας (γρήγορη φόρτιση): η πιο διαδεδομένη εφαρμογή αυτή τη στιγμή, που μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε συμπαγείς και υψηλής απόδοσης γρήγορους φορτιστές GaN.

Front-end RF: Ενισχυτές ισχύος σε σταθμούς βάσης επικοινωνίας 5G και συστήματα ραντάρ στην αμυντική βιομηχανία.

Γιατί το GaN είναι ο βασιλιάς της απόδοσης υψηλών συχνοτήτων

1) Εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα μετατόπισης κορεσμού ηλεκτρονίων: Τα ηλεκτρόνια κινούνται εξαιρετικά γρήγορα σε υλικά GaN, πράγμα που σημαίνει ότι τα τρανζίστορ μπορούν να επιτύχουν εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες μεταγωγής. Για τη μεταγωγή τροφοδοτικών, οι υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής επιτρέπουν τη χρήση μικρότερων και ελαφρύτερων πυκνωτών και επαγωγέων, επιτρέποντας έτσι τη σμίκρυνση του φορτιστή.

2)Τρανζίστορ υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων (HEMT): Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο άρθρο, η διεπαφή ετεροσύνδεσης GaN-AlGaN μπορεί να σχηματίσει αυτόματα ένα δισδιάστατο αέριο ηλεκτρονίων (2DEG), με εξαιρετικά υψηλή συγκέντρωση και κινητικότητα ηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα εξαιρετικά χαμηλή αντίσταση. Αυτό δίνει στις συσκευές GaN τα διπλά πλεονεκτήματα της χαμηλής απώλειας αγωγιμότητας και της χαμηλής απώλειας μεταγωγής κατά τη μεταγωγή υψηλής ταχύτητας.

3) Ευρύτερο διάκενο ζώνης: Παρόμοιο με το καρβίδιο του πυριτίου, το GaN έχει επίσης μεγάλο διάκενο ζώνης, καθιστώντας το ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίες και υψηλές τάσεις και πιο στιβαρό από το πυρίτιο.