Křemík, karbid křemíku a nitrid galia

Za běžně používanými digitálními produkty a špičkovými elektrickými vozidly, základnovou stanicí 5G, jsou 3 základní polovodičové materiály: křemík, karbid křemíku a nitrid galia, které pohánějí průmysl. Nejsou pro sebe alternativní, jsou experty v týmu a mají nenahraditelné úsilí na různých bojištích. Když pochopíme jejich dělbu práce, můžeme vidět vývojový strom moderního elektronického průmyslu.

1.Křemík: Základní kámen integrovaných obvodů

Křemík je nepochybně králem polovodičů, vládne celé oblasti vysoce integrovaných a komplexních počítačů. Počítačový CPU, mobilní SoC, grafické procesory, paměti, flash paměti a různé mikrokontroléry a digitální logické čipy, téměř všechny jsou postaveny na silikonové bázi.

Proč v této oblasti dominuje křemík

1) Vynikající integrovaný stupeň

Křemík má skvělé materiálové vlastnosti, lze z něj procesem tepelné oxidace vypěstovat dokonalý izolační film SiO2 na povrchu. Tato vlastnost je základem pro sestavení tranzistoru CMOS, který integruje miliardy až deset miliard tranzistorů na malém kousku čipu, aby bylo dosaženo extrémně složitých logistických funkcí.

2) Zralý proces a nízké náklady

Proces křemíku je výsledkem více než půlstoletí vývoje celé lidské průmyslové civilizace. Od čištění, tažení krystalu až po fotolitografii, leptání, tvoří vyspělé a obrovské průmyslové řetězce, aby se vyrobil vysoce kvalitní krystal s úžasným měřítkem a extrémně nízkými náklady.

3) Dobrá rovnováha

Křemík dosahuje nejlepší rovnováhy mezi vodivostí, rychlostí spínání, výrobními náklady a tepelným výkonem. I když v extrémním výkonu nemusí odpovídat výkonu jeho počátečního materiálu, je naprosto adekvátní a nejekonomičtější volbou pro zpracování složitých digitálních signálů a logických operací.

2.Karbid křemíku: Power Guardians na bitevním poli vysokého napětí

SiC je revoluční materiál v oblasti vysokého napětí a vysokého výkonu. Používá se hlavně v "výkonových zařízeních" pro přeměnu a řízení výkonu. Jako je měnič hlavního pohonu, palubní nabíječka, DC-DC měnič v nových energetických vozidlech; konvertorové stanice inteligentní sítě, průmyslové motorové pohony a železniční tranzit v průmyslu a energetické síti; fotovoltaické střídače a konvertory větrné energie v novém odvětví výroby energie.

Proč SiC vhodný pro vysokonapěťové aplikace

1) Extrémně vysoká průrazná síla elektrického pole

2) Tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT): Jak je podrobně popsáno v předchozím článku, heteropřechodové rozhraní GaN-AlGaN může automaticky vytvářet dvourozměrný elektronový plyn (2DEG) s extrémně vysokou koncentrací a pohyblivostí elektronů, což má za následek extrémně nízký odpor. To dává zařízením GaN dvojí výhody, a to nízké ztráty ve vedení a nízké ztráty při přepínání při vysokorychlostním přepínání.

2) Dobrá tepelná vodivost

Tepelná vodivost SiC je 3x vyšší než u křemíku. V aplikacích s vysokým výkonem je topení „top zabijákem“. Zařízení SiC může rychleji vypouštět samotné topení, aby umožnilo stabilní práci systému při vyšší hustotě výkonu nebo zjednodušilo systém odvodu tepla.

3) Pracovní kapacita při vysoké teplotě

Pracovní teplota křemíkového zařízení je obvykle pod 175 °C, zatímco zařízení SiC může stabilně pracovat při teplotách nad 200 °C. Díky tomu je spolehlivější ve vysokoteplotních a drsných prostředích, jako jsou elektronické systémy umístěné v blízkosti motoru automobilu.

3.Gallium nitrid: průkopník rychlosti na vysokofrekvenční trati

Hlavní výhodou GaN je vysoká frekvence. Svítí ve dvou polích:

Vysokofrekvenční výkonová elektronika (rychlonabíjení): v současnosti nejrozšířenější aplikace, která nám umožňuje používat kompaktní a vysoce účinné rychlonabíječky GaN.

RF front-end: Výkonové zesilovače v komunikačních základnových stanicích 5G a radarových systémech v obranném průmyslu.

Proč je GaN králem vysokofrekvenčního výkonu

1) Extrémně vysoká rychlost driftu nasycení elektronů: Elektrony se v materiálech GaN pohybují extrémně rychle, což znamená, že tranzistory mohou dosahovat extrémně vysokých spínacích rychlostí. Pro spínané zdroje umožňují vyšší spínací frekvence použití menších a lehčích kondenzátorů a tlumivek a umožňují tak miniaturizaci nabíječky.

2) Tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT): Jak je podrobně popsáno v předchozím článku, heteropřechodové rozhraní GaN-AlGaN může automaticky vytvářet dvourozměrný elektronový plyn (2DEG) s extrémně vysokou koncentrací a pohyblivostí elektronů, což má za následek extrémně nízký odpor. To dává zařízením GaN dvojí výhody, a to nízké ztráty ve vedení a nízké ztráty při přepínání při vysokorychlostním přepínání.

3) Širší bandgap: Podobně jako karbid křemíku má GaN také široký bandgap, díky čemuž je odolný vůči vysokým teplotám a vysokému napětí a je robustnější než křemík.