Räni, ränikarbiid ja galliumnitriid

Levinud digitaalsete toodete ja kõrgtehnoloogiliste elektrisõidukite, 5G tugijaama taga on 3 südamikuga pooljuhtmaterjali: räni, ränikarbiid ja galliumnitriid, mis juhivad tööstust. Nad ei ole üksteisele alternatiivsed, nad on meeskonna eksperdid ja neil on asendamatu pingutus erinevatel lahinguväljadel. Mõistes nende tööjaotust, näeme kaasaegse elektroonikatööstuse arengupuud.

1.Räni: integraallülituste aluskivi

Räni on kahtlemata pooljuhtide kuningas, mis valitseb kõrgelt integreeritud ja keeruka andmetöötluse kõigis valdkondades. Arvuti protsessor, mobiilne SoC, graafikaprotsessorid, mälu, välkmälu ning erinevad mikrokontrollerid ja digitaalsed loogikakiibid, peaaegu kõik on ehitatud räni baasil.

Miks räni selles valdkonnas domineerib

1) Suurepärane integreeritud kraad

Ränil on suurepärased materjaliomadused, selle pinnale saab termilise oksüdatsiooni käigus kasvatada täiusliku SiO2 isolatsioonikile. See omadus on aluseks CMOS-transistori ehitamiseks, integreerides väikesele kiibile miljardeid isegi kümme miljardit transistorit, et saavutada äärmiselt keerukaid logistilisi funktsioone.

2) Küps protsess ja madal hind

Läbi enam kui poole sajandi arengu on räniprotsess kogu inimliku tööstustsivilisatsiooni tulemus. Alates puhastamisest, kristallide tõmbamisest kuni fotolitograafia ja söövitamiseni on see moodustanud küpsed ja tohutud tööstusahelad, et toota hämmastava ulatusega ja äärmiselt madalate kuludega kvaliteetseid kristalle.

Terhelési kapcsoló 400-630

Räni saavutab parima tasakaalu juhtivuse, lülituskiiruse, tootmiskulude ja termilise jõudluse vahel. Ehkki see ei pruugi äärmusliku jõudlusega vastata oma uuemate materjalide jõudlusele, on see täiesti piisav ja kõige ökonoomsem valik keerukate digitaalsete signaalide ja loogiliste toimingute käsitlemiseks.

2.Ränikarbiid: Power Guardians kõrgepinge lahinguväljal

SiC on pöördematerjal kõrgepinge ja suure võimsusega valdkonnas. Seda kasutatakse peamiselt "toiteseadmetes" võimsuse muundamiseks ja juhtimiseks. Näiteks peaajami inverter, sisseehitatud laadija, alalis-alalisvoolu muundur uutes energiasõidukites; nutika võrgu muundurjaamad, tööstuslikud mootoriajamid ja raudteetransiit tööstuses ja elektrivõrgus; fotogalvaanilised inverterid ja tuuleenergia muundurid uues energiatootmistööstuses.

Miks SiC sobib kõrgepingerakendusteks?

1) Äärmiselt suur läbilöögi elektrivälja tugevus

SiC läbilöögi elektrivälja tugevus on 10 korda suurem kui räni oma. See tähendab sama pingetaluva seadme valmistamist, SiC epitaksiaalne kiht võib olla õhem, dopingu kontsentratsioon võib olla suurem, et vähendada seadme sisselülitamist. Kui takistus muutub madalamaks, saab juhtivuse ajal oluliselt vähendada energiakadu ja soojuse teket.

2) Hea soojusjuhtivus

SiC soojusjuhtivus on 3 korda suurem kui räni soojusjuhtivus. Suure võimsusega rakenduses on küte "peamine tapja". SiC seade suudab kütte ise kiiremini välja lasta, et võimaldada süsteemil stabiilset tööd suurema võimsustiheduse korral või lihtsustada soojuse hajumise süsteemi.

3) Kõrge temperatuuri töövõime

Räni on kahtlemata pooljuhtide kuningas, mis valitseb kõrgelt integreeritud ja keeruka andmetöötluse kõigis valdkondades. Arvuti protsessor, mobiilne SoC, graafikaprotsessorid, mälu, välkmälu ning erinevad mikrokontrollerid ja digitaalsed loogikakiibid, peaaegu kõik on ehitatud räni baasil.

3.Galliumnitriid: kiiruse teerajaja kõrgsagedusrajal

GaN-i põhieelis on kõrgsagedus. See särab kahes valdkonnas:

Kõrgsageduslik jõuelektroonika (kiirlaadimine): praegu kõige levinum rakendus, mis võimaldab kasutada kompaktseid ja ülitõhusaid GaN-kiirlaadijaid.

RF esiosa: võimsusvõimendid 5G side tugijaamades ja radarisüsteemides kaitsetööstuses.

Miks GaN on kõrgsagedusliku jõudluse kuningas?

1) Äärmiselt suur elektronide küllastumise triivi kiirus: GaN materjalides liiguvad elektronid ülikiiresti, mis tähendab, et transistorid võivad saavutada ülisuure lülituskiiruse. Lülitustoiteallikate jaoks võimaldavad kõrgemad lülitussagedused kasutada väiksemaid ja kergemaid kondensaatoreid ja induktiivpooli, võimaldades seega laadija miniaturiseerimist.

2) Suure elektronide liikuvusega transistor (HEMT): nagu eelmises artiklis üksikasjalikult kirjeldatud, võib GaN-AlGaN heterosiirde liides automaatselt moodustada kahemõõtmelise elektrongaasi (2DEG), millel on äärmiselt kõrge elektronide kontsentratsioon ja liikuvus, mille tulemuseks on äärmiselt madal sisselülitamistakistus. See annab GaN-seadmetele kaks eelist: väike juhtivuskadu ja väike lülituskadu kiirel lülitamisel.

3) Laiem ribalaius: sarnaselt ränikarbiidiga on GaN-l ka lai ribalaius, mis muudab selle vastupidavaks kõrgetele temperatuuridele ja kõrgetele pingetele ning tugevamaks kui räni.