سیلیکون، سیلیکون کاربید و نیترید گالیم

در پشت محصولات رایج دیجیتال مورد استفاده و وسایل نقلیه الکتریکی با تکنولوژی بالا، ایستگاه پایه 5G، 3 ماده نیمه هادی هسته وجود دارد: سیلیکون، کاربید سیلیکون و نیترید گالیوم که این صنعت را هدایت می کنند. آنها جایگزین یکدیگر نیستند، آنها متخصصان یک تیم هستند و تلاش بی بدیلی در میدان های جنگ مختلف دارند. با درک تقسیم کار آنها، می توانیم درخت توسعه صنعت الکترونیک مدرن را ببینیم.

1.سیلیکون: سنگ پایه مدارهای مجتمع

3) گپ پهن تر: مشابه کاربید سیلیکون، GaN همچنین دارای یک باند پهن است که آن را در برابر دماهای بالا و ولتاژ بالا مقاوم می کند و از سیلیکون قوی تر است.

چرا سیلیکون در این زمینه تسلط دارد؟

1) درجه یکپارچه عالی

سیلیکون دارای خواص مواد عالی است، می توان آن را یک فیلم عایق SiO2 کامل بر روی سطح از طریق فرآیند اکسیداسیون حرارتی رشد داد. این ویژگی پایه ای برای ساخت ترانزیستور CMOS است که میلیاردها و حتی ده میلیارد ترانزیستور را روی یک قطعه کوچک تراشه ادغام می کند تا به عملکردهای لجستیکی بسیار پیچیده دست یابد.

2) فرآیند بالغ و کم هزینه

2) ترانزیستور با تحرک الکترون بالا (HEMT): همانطور که در مقاله قبلی توضیح داده شد، رابط ناهمگونی GaN-AlGaN می تواند به طور خودکار یک گاز الکترونی دو بعدی (2DEG) با غلظت و تحرک بسیار زیاد الکترون تشکیل دهد که در نتیجه مقاومت در برابر روشن بسیار کم است. این به دستگاه‌های GaN مزایای دوگانه تلفات هدایت کم و تلفات سوئیچینگ کم در هنگام سوئیچینگ با سرعت بالا می‌دهد.

3) تعادل خوب

سیلیکون بهترین تعادل را بین هدایت، سرعت سوئیچینگ، هزینه ساخت و عملکرد حرارتی به دست می آورد. اگرچه ممکن است در عملکرد فوق العاده با عملکرد مواد اولیه خود مطابقت نداشته باشد، اما برای مدیریت سیگنال های دیجیتال پیچیده و عملیات منطقی کاملاً مناسب و مقرون به صرفه ترین انتخاب است.

2.سیلیکون کاربید: نگهبانان نیرو در میدان نبرد با ولتاژ بالا

SiC ماده انقلابی در میدان ولتاژ بالا و توان بالا است. این عمدتا در "دستگاه های قدرت" برای تبدیل و کنترل قدرت استفاده می شود. مانند اینورتر درایو اصلی، شارژر روی برد، مبدل DC-DC در وسایل نقلیه انرژی جدید؛ ایستگاه های مبدل شبکه هوشمند، موتورهای صنعتی و حمل و نقل ریلی در صنعت و شبکه برق؛ اینورترهای فتوولتائیک و مبدل‌های برق بادی در صنعت تولید انرژی جدید

چرا SiC برای کاربردهای ولتاژ بالا مناسب است؟

1) قدرت میدان الکتریکی شکست بسیار بالا

قدرت میدان الکتریکی شکست SiC 10 برابر بیشتر از سیلیکون است. این بدان معنی است که ساخت همان دستگاه مقاوم در برابر ولتاژ، لایه اپیتاکسیال SiC می‌تواند نازک‌تر باشد، غلظت دوپینگ می‌تواند بیشتر باشد تا مقاومت دستگاه را کاهش دهد. هنگامی که مقاومت کمتر می شود، اتلاف انرژی و تولید گرما می تواند به طور قابل توجهی در هنگام هدایت کاهش یابد.

1) درجه یکپارچه عالی

هدایت حرارتی SiC 3 برابر سیلیکون است. در کاربردهای توان بالا، گرمایش "قاتل برتر" است. دستگاه SiC می‌تواند با سرعت بیشتری گرمایش را از خود خارج کند، تا به سیستم اجازه کار پایدار تحت چگالی توان بالاتر را بدهد، یا سیستم اتلاف گرما را ساده‌تر کند.

3) ظرفیت کار با دمای بالا

دمای کار دستگاه سیلیکون معمولاً زیر 175 درجه سانتیگراد است، در حالی که دستگاه SiC می تواند در دمای بالای 200 درجه سانتیگراد کار کند. این باعث می شود که در محیط های با دمای بالا و سخت مانند سیستم های الکترونیکی نزدیک به موتور خودرو قابل اعتمادتر باشد.

3.نیترید گالیوم: پیشگام سرعت در مسیر فرکانس بالا

مزیت اصلی GaN در فرکانس بالا است. در دو زمینه می درخشد:

الکترونیک قدرت فرکانس بالا (شارژ سریع): گسترده ترین کاربرد در حال حاضر، ما را قادر می سازد از شارژرهای سریع GaN فشرده و بسیار کارآمد استفاده کنیم.

RF front-end: تقویت کننده های قدرت در ایستگاه های پایه ارتباطی 5G و سیستم های رادار در صنعت دفاعی.

چرا GaN پادشاه عملکرد فرکانس بالا است؟

1) سرعت رانش در اشباع الکترون بسیار بالا: الکترون ها در مواد GaN بسیار سریع حرکت می کنند، به این معنی که ترانزیستورها می توانند به سرعت سوئیچینگ بسیار بالایی دست یابند. برای سوئیچینگ منابع تغذیه، فرکانس های سوئیچینگ بالاتر امکان استفاده از خازن ها و سلف های کوچکتر و سبک تر را فراهم می کند، بنابراین مینیاتوری شارژر را ممکن می سازد.

2) ترانزیستور با تحرک الکترون بالا (HEMT): همانطور که در مقاله قبلی توضیح داده شد، رابط ناهمگونی GaN-AlGaN می تواند به طور خودکار یک گاز الکترونی دو بعدی (2DEG) با غلظت و تحرک بسیار زیاد الکترون تشکیل دهد که در نتیجه مقاومت در برابر روشن بسیار کم است. این به دستگاه‌های GaN مزایای دوگانه تلفات هدایت کم و تلفات سوئیچینگ کم در هنگام سوئیچینگ با سرعت بالا می‌دهد.

3) گپ پهن تر: مشابه کاربید سیلیکون، GaN همچنین دارای یک باند پهن است که آن را در برابر دماهای بالا و ولتاژ بالا مقاوم می کند و از سیلیکون قوی تر است.