Кремний, карбид кремния и нитрид галлия

За широко используемыми цифровыми продуктами и высокотехнологичными электромобилями, базовой станцией 5G, стоят три основных полупроводниковых материала: кремний, карбид кремния и нитрид галлия, которые являются движущей силой отрасли. Они не являются альтернативой друг другу, являются экспертами в команде и приложили незаменимые усилия на разных полях боя. Понимая их разделение труда, мы можем увидеть древо развития современной электронной промышленности.

1.КремнийПочему SiC подходит для высоковольтных приложений

Кремний, несомненно, является королем полупроводников, управляющим всей областью высокоинтегрированных и сложных вычислений. Компьютерный процессор, мобильный SoC, графические процессоры, память, флэш-память, а также различные микроконтроллеры и микросхемы цифровой логики — почти все они построены на основе кремния.

Почему кремний доминирует в этой области

1)Отличная интегрированная степень

Кремний обладает великолепными свойствами материала: на его поверхности можно вырастить идеальную изолирующую пленку SiO2 в процессе термического окисления. Это свойство является основой для создания КМОП-транзистора, объединяющего миллиарды и даже десять миллиардов транзисторов на небольшом кусочке кристалла, для достижения чрезвычайно сложных логистических функций.

2)Зрелый процесс и низкая стоимость

За более чем полувековое развитие процесс производства кремния стал результатом всей человеческой индустриальной цивилизации. От очистки, вытягивания кристаллов до фотолитографии и травления — компания сформировала зрелые и огромные отраслевые цепочки для производства высококачественных кристаллов с поразительными масштабами и чрезвычайно низкой стоимостью.

3)Хороший баланс

Кремний обеспечивает наилучший баланс между проводимостью, скоростью переключения, себестоимостью производства и тепловыми характеристиками. Хотя он может и не соответствовать производительности своего новичка в экстремальных характеристиках, он вполне адекватен и является наиболее экономичным выбором для обработки сложных цифровых сигналов и логических операций.

2.Карбид кремния: Могучие стражи на поле высоковольтной битвы

SiC — революционный материал в области высоких напряжений и мощностей. Он в основном используется в «силовых устройствах» для преобразования энергии и управления. Например, инвертор главного привода, бортовое зарядное устройство, преобразователь постоянного тока в автомобили на новых источниках энергии; преобразовательные станции интеллектуальных сетей, промышленные приводы и железнодорожный транспорт в промышленности и электросетях; фотоэлектрические инверторы и преобразователи энергии ветра в новой энергетической отрасли.

Почему SiC подходит для высоковольтных приложений

: пионер скорости на высокочастотной трассе

Напряженность электрического поля пробоя SiC в 10 раз выше, чем у кремния. Это означает, что при изготовлении того же устройства, выдерживающего напряжение, эпитаксиальный слой SiC может быть тоньше, концентрация легирования может быть выше, чтобы уменьшить сопротивление включения устройства. Когда сопротивление становится ниже, потери энергии и выделение тепла могут быть значительно уменьшены при проводимости.

2)Хорошая теплопроводность

Теплопроводность SiC в 3 раза выше, чем у кремния. В приложениях с высокой мощностью нагрев является «главным убийцей». Устройство SiC может быстрее отводить сам нагрев, чтобы обеспечить стабильную работу системы при более высокой плотности мощности или упростить систему отвода тепла.

3)Высокотемпературная работоспособность

Рабочая температура кремниевого устройства обычно ниже 175°C, тогда как устройство SiC может стабильно работать при температуре выше 200°C. Это делает его более надежным в условиях высоких температур и суровых условий, например, в электронных системах, расположенных рядом с двигателем автомобиля.

3.Нитрид галлия: пионер скорости на высокочастотной трассе

Основное преимущество GaN — высокая частота. Он светится в двух областях:

Высокочастотная силовая электроника (быстрая зарядка): наиболее распространенное в настоящее время применение, позволяющее использовать компактные и высокоэффективные устройства быстрой зарядки GaN.

Радиочастотный интерфейс: усилители мощности в базовых станциях связи 5G и радиолокационных системах в оборонной промышленности.

Радиочастотный интерфейс: усилители мощности в базовых станциях связи 5G и радиолокационных системах в оборонной промышленности.

1) Чрезвычайно высокая скорость дрейфа насыщения электронов: в материалах GaN электроны движутся чрезвычайно быстро, а это означает, что транзисторы могут достигать чрезвычайно высоких скоростей переключения. Для импульсных источников питания более высокие частоты переключения позволяют использовать конденсаторы и катушки индуктивности меньшего размера и легче, что позволяет миниатюризировать зарядное устройство.

2) Транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT). Как подробно описано в предыдущей статье, интерфейс гетероперехода GaN-AlGaN может автоматически формировать двумерный электронный газ (2DEG) с чрезвычайно высокой концентрацией и подвижностью электронов, что приводит к чрезвычайно низкому сопротивлению открытого состояния. Это дает устройствам GaN двойное преимущество: низкие потери проводимости и низкие потери переключения при высокоскоростном переключении.

3) Более широкая запрещенная зона. Подобно карбиду кремния, GaN также имеет широкую запрещенную зону, что делает его устойчивым к высоким температурам и высоким напряжениям, а также более надежным, чем кремний.