Silicon, Silicon Carbide và Gallium Nitride

Đằng sau các sản phẩm kỹ thuật số được sử dụng phổ biến và xe điện công nghệ cao, trạm gốc 5G, có 3 vật liệu bán dẫn cốt lõi: Silicon, Silicon Carbide và Gallium Nitride đang thúc đẩy ngành công nghiệp. Họ không phải là đối thủ của nhau, họ là những chuyên gia trong một đội và có nỗ lực không thể thay thế trên các chiến trường khác nhau. Hiểu được sự phân công lao động của họ, chúng ta có thể thấy được cây phát triển của ngành điện tử hiện đại.

1.Silicon: Nền tảng của mạch tích hợp

Silicon chắc chắn là vua của chất bán dẫn, thống trị mọi lĩnh vực điện toán phức tạp và tích hợp cao. CPU máy tính, SoC di động, bộ xử lý đồ họa, bộ nhớ, bộ nhớ flash, các bộ vi điều khiển và chip logic kỹ thuật số khác nhau, hầu hết đều được chế tạo trên nền Silicon.

Tại sao Silicon thống trị lĩnh vực này

1) Bằng cấp tích hợp xuất sắc

Silicon có những đặc tính vật liệu tuyệt vời, nó có thể tạo thành một lớp màng cách nhiệt SiO2 hoàn hảo trên bề mặt thông qua quá trình oxy hóa nhiệt. Đặc tính này là cơ sở để xây dựng bóng bán dẫn CMOS, tích hợp hàng tỷ, thậm chí mười tỷ bóng bán dẫn trên một mảnh chip nhỏ, để đạt được các chức năng hậu cần cực kỳ phức tạp.

2) Quy trình trưởng thành và chi phí thấp

Trải qua hơn nửa thế kỷ phát triển, quá trình sản xuất Silicon là kết quả của toàn bộ nền văn minh công nghiệp của loài người. Từ tinh chế, kéo tinh thể, đến quang khắc, khắc, nó đã hình thành một chuỗi công nghiệp lớn và trưởng thành để sản xuất tinh thể chất lượng cao với quy mô đáng kinh ngạc và chi phí cực thấp.

3) Cân bằng tốt

Silicon đạt được sự cân bằng tốt nhất giữa độ dẫn điện, tốc độ chuyển mạch, chi phí sản xuất và hiệu suất nhiệt. Mặc dù nó có thể không sánh được với hiệu suất của vật liệu mới nổi về hiệu suất cực cao, nhưng nó hoàn toàn phù hợp và là sự lựa chọn tiết kiệm nhất để xử lý các hoạt động logic và tín hiệu số phức tạp.

2.cacbua silic: Những người bảo vệ sức mạnh trên chiến trường điện cao thế

SiC là vật liệu mang tính cách mạng trong lĩnh vực điện áp cao, năng lượng cao. Nó chủ yếu được sử dụng trong các "thiết bị nguồn" để chuyển đổi và điều khiển nguồn. Chẳng hạn như biến tần truyền động chính, bộ sạc tích hợp, bộ chuyển đổi DC-DC trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới; trạm chuyển đổi lưới điện thông minh, truyền động động cơ công nghiệp và vận tải đường sắt trong công nghiệp và lưới điện; bộ biến tần quang điện và bộ chuyển đổi năng lượng gió trong ngành sản xuất năng lượng mới.

Tại sao SiC thích hợp cho các ứng dụng điện áp cao

1) Cường độ điện trường đánh thủng cực cao

Cường độ điện trường đánh thủng của SiC cao gấp 10 lần so với Silicon. Nghĩa là chế tạo cùng một thiết bị chịu điện áp, lớp epiticular của SiC có thể mỏng hơn, nồng độ pha tạp có thể cao hơn để giảm điện trở của thiết bị. Khi điện trở trở nên thấp hơn, tổn thất năng lượng và sinh nhiệt có thể giảm đáng kể khi dẫn điện.

2) Độ dẫn nhiệt tốt

Độ dẫn nhiệt của SiC gấp 3 lần Silicon. Trong ứng dụng công suất cao, hệ thống sưởi là “kẻ giết người hàng đầu”. Thiết bị SiC có thể tự thoát nhiệt nhanh hơn, cho phép hệ thống hoạt động ổn định dưới mật độ năng lượng cao hơn hoặc đơn giản hóa hệ thống tản nhiệt.

3) Khả năng làm việc ở nhiệt độ cao

Nhiệt độ làm việc của thiết bị Silicon thường dưới 175°C, trong khi thiết bị SiC có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ trên 200°C. Điều này làm cho nó trở nên đáng tin cậy hơn trong môi trường nhiệt độ cao và khắc nghiệt, chẳng hạn như các hệ thống điện tử nằm gần động cơ ô tô.

3.Gallium Nitrat: người tiên phong về tốc độ trên đường tần số cao

Ưu điểm cốt lõi của GaN là ở tần số cao. Nó tỏa sáng ở hai lĩnh vực:

Điện tử công suất cao tần (sạc nhanh): ứng dụng phổ biến nhất hiện nay, cho phép chúng ta sử dụng bộ sạc nhanh GaN nhỏ gọn và hiệu quả cao.

Giao diện người dùng RF: Bộ khuếch đại công suất trong các trạm cơ sở truyền thông 5G và hệ thống radar trong ngành công nghiệp quốc phòng.

Tại sao GaN là vua của hiệu suất tần số cao

1)Tốc độ trôi dạt bão hòa electron cực cao: Các electron chuyển động cực nhanh trong vật liệu GaN, nghĩa là bóng bán dẫn có thể đạt được tốc độ chuyển mạch cực cao. Để chuyển đổi nguồn điện, tần số chuyển mạch cao hơn cho phép sử dụng tụ điện và cuộn cảm nhỏ hơn và nhẹ hơn, do đó cho phép thu nhỏ bộ sạc.

Cường độ điện trường đánh thủng của SiC cao gấp 10 lần so với Silicon. Nghĩa là chế tạo cùng một thiết bị chịu điện áp, lớp epiticular của SiC có thể mỏng hơn, nồng độ pha tạp có thể cao hơn để giảm điện trở của thiết bị. Khi điện trở trở nên thấp hơn, tổn thất năng lượng và sinh nhiệt có thể giảm đáng kể khi dẫn điện.

3) Khoảng cách rộng hơn: Tương tự như cacbua silic, GaN cũng có khoảng cách rộng, giúp nó chịu được nhiệt độ cao và điện áp cao, đồng thời bền hơn silicon.