Kisel, kiselkarbid och galliumnitrid

Bakom de vanliga använda digitala produkterna och högteknologiska elfordonen, 5G-basstationen, finns tre kärnhalvledarmaterial: kisel, kiselkarbid och galliumnitrid som driver industrin. De är inte alternativa för varandra, de är experterna i ett team och har den oersättliga insatsen på olika slagfält. Genom att förstå deras arbetsfördelning kan vi se utvecklingsträdet för den moderna elektronikindustrin.

1.Kisel: Basstenen i de integrerade kretsarna

Kisel är utan tvekan kungen av halvledarna, styr hela området för mycket integrerad och komplex datoranvändning. Datorns CPU, mobila SoC, grafikprocessorer, minne, flashminne och olika mikrokontroller och digitala logikchips, nästan alla är byggda på Silicon-bas.

Varför Silicon dominerar detta område

1) Utmärkt integrerad examen

Kisel har de fantastiska materialegenskaperna, det kan odlas till en perfekt SiO2-isoleringsfilm på ytan genom den termiska oxidationsprocessen. Denna egenskap är basen för att bygga CMOS-transistorer, som integrerar miljarder till och med tio miljarder transistorer på en liten bit chip, för att uppnå de extremt komplexa logistiska funktionerna.

2) Mogen process och låg kostnad

Genom mer än ett halvt sekels utveckling är kiselprocessen resultatet av hela den mänskliga industriella civilisationen. Från rening, kristalldragning, till fotolitografi, etsning, har det bildat en mogen och enorm industrikedjor, för att producera högkvalitativa kristaller med häpnadsväckande skala och extremt låg kostnad.

3) Bra balans

Kisel uppnår den bästa balansen mellan konduktivitet, växlingshastighet, tillverkningskostnad och termisk prestanda. Även om det kanske inte matchar prestandan hos dess uppkomlingmaterial i extrema prestanda, är det helt adekvat och det mest ekonomiska valet för att hantera komplexa digitala signaler och logiska operationer.

2.Kiselkarbid: Power Guardians på högvoltslagfältet

SiC är det revolutionerande materialet inom högvolts- och högeffektområdet. Det används främst i "power devices" för effektomvandling och kontroll. Såsom huvuddrivinverterare, inbyggd laddare, DC-DC-omvandlare i nya energifordon; omvandlarstationer för smarta nät, industriella motordrivningar och järnvägstransitering inom industri och elnät; fotovoltaiska växelriktare och vindkraftsomvandlare i ny energiproduktionsindustri.

Varför SiC lämplig för högspänningstillämpningar

1) Extremt hög genombrottsstyrka för elektriskt fält

Den elektriska nedbrytningsstyrkan för SiC är 10 gånger högre än den för kisel. Det betyder att man tillverkar samma spänningsmotståndsenhet, det epitaxiella skiktet av SiC kan vara tunnare, dopningskoncentrationen kan vara högre, för att minska enhetens på-motstånd. När resistansen blir lägre kan energiförlusten och värmeutvecklingen reduceras avsevärt vid ledning.

2) Bra värmeledningsförmåga

Termisk konduktivitet för SiC är 3 gånger den för kisel. I applikationen med hög effekt är uppvärmningen "top killer". SiC-enhet kan snabbare släppa ut själva uppvärmningen, för att tillåta systemets stabila arbete under högre effekttäthet, eller förenkla värmeavledningssystemet.

3) Arbetskapacitet vid hög temperatur

Arbetstemperaturen för Silicon-enheten är vanligtvis under 175 °C, medan SiC-enheten kan arbeta stabilt vid över 200 °C. Detta gör den mer tillförlitlig i höga temperaturer och tuffa miljöer, såsom elektroniska system placerade nära bilmotorn.

3.Galliumnitrid: hastighetspionjären på högfrekvensspåret

Kärnfördelen med GaN är vid hög frekvens. Det lyser i två fält:

Högfrekvent kraftelektronik (snabbladdning): den mest utbredda applikationen för närvarande, vilket gör att vi kan använda kompakta och högeffektiva GaN-snabbladdare.

RF front-end: Effektförstärkare i 5G kommunikationsbasstationer och radarsystem inom försvarsindustrin.

Varför GaN är kungen av högfrekvent prestanda

1) Extremt hög elektronmättnadsdrifthastighet: Elektroner rör sig extremt snabbt i GaN-material, vilket betyder att transistorer kan uppnå extremt höga omkopplingshastigheter. För att byta strömförsörjning tillåter högre switchfrekvenser användning av mindre och lättare kondensatorer och induktorer, vilket möjliggör miniatyrisering av laddaren.

2) Transistor med hög elektronmobilitet (HEMT): Som beskrivs i föregående artikel kan GaN-AlGaN-heteroövergångsgränssnittet automatiskt bilda en tvådimensionell elektrongas (2DEG), med extremt hög elektronkoncentration och rörlighet, vilket resulterar i extremt lågt motstånd. Detta ger GaN-enheter de dubbla fördelarna med låg ledningsförlust och låg omkopplingsförlust under höghastighetsväxling.

3)Bredare bandgap: I likhet med kiselkarbid har GaN också ett brett bandgap, vilket gör det motståndskraftigt mot höga temperaturer och höga spänningar och mer robust än kisel.