Silicium, siliciumcarbide en galliumnitride

Achter de veelgebruikte digitale producten en hightech elektrische voertuigen, het 5G-basisstation, schuilen drie kernhalfgeleidermaterialen: silicium, siliciumcarbide en galliumnitride die de industrie aandrijven. Ze zijn geen alternatief voor elkaar, ze zijn de experts in een team en hebben de onvervangbare inzet op verschillende slagvelden. Als we hun arbeidsverdeling begrijpen, kunnen we de ontwikkelingsboom van de moderne elektronica-industrie zien.

1.Silicium: De basissteen van de geïntegreerde schakelingen

Silicium is ongetwijfeld de koning van de halfgeleiders en beheerst het hele veld van sterk geïntegreerde en complexe computersystemen. De computer-CPU, mobiele SoC, grafische processors, geheugen, flash-geheugen en verschillende microcontrollers en digitale logica-chips zijn bijna allemaal op siliciumbasis gebouwd.

Waarom silicium dit veld domineert

1) Uitstekende geïntegreerde graad

Silicium heeft de geweldige materiaaleigenschappen: door het thermische oxidatieproces kan er een perfecte SiO2-isolerende film op het oppervlak worden gevormd. Deze eigenschap vormt de basis voor het bouwen van een CMOS-transistor, waarbij miljarden, zelfs tien miljard transistors op een klein stukje chip worden geïntegreerd, om de extreem complexe logistieke functies te bereiken.

2) Volwassen proces en lage kosten

Gedurende een ontwikkeling van meer dan een halve eeuw is het siliciumproces het resultaat van de hele menselijke industriële beschaving. Van zuivering, kristaltrekken tot fotolithografie en etsen, het heeft een volwassen en enorme industriële keten gevormd om het hoogwaardige kristal op verbazingwekkende schaal en extreem lage kosten te produceren.

3)Goede balans

Silicium bereikt de beste balans tussen geleidbaarheid, schakelsnelheid, productiekosten en thermische prestaties. Hoewel het qua extreme prestaties misschien niet de prestaties van zijn nieuwe materiaal kan evenaren, is het perfect geschikt en de meest economische keuze voor het verwerken van complexe digitale signalen en logische bewerkingen.

2.Siliciumcarbide: Power Guardians op het slagveld met hoge spanning

SiC is het revolutionaire materiaal op het gebied van hoogvolt en hoog vermogen. Het wordt voornamelijk gebruikt in "stroomapparaten" voor stroomconversie en -controle. Zoals hoofdomvormer, ingebouwde lader, DC-DC-omzetter in nieuwe energievoertuigen; smart grid-converterstations, industriële motoraandrijvingen en spoordoorvoer in de industrie en het elektriciteitsnet; fotovoltaïsche omvormers en windenergieconverters in de nieuwe energieopwekkingsindustrie.

Waarom SiC geschikt is voor hoogspanningstoepassingen

RF front-end: Eindversterkers in 5G-communicatiebasisstations en radarsystemen in de defensie-industrie.

De elektrische doorslagsterkte van SiC is 10 keer hoger dan die van silicium. Het betekent dat hetzelfde spanningsbestendige apparaat moet worden vervaardigd, de epitaxiale laag van SiC dunner kan zijn, de dopingconcentratie kan hoger zijn, om de aan-weerstand van het apparaat te verminderen. Wanneer de weerstand lager wordt, kunnen het energieverlies en de warmteontwikkeling bij geleiding aanzienlijk worden verminderd.

2) Goede thermische geleidbaarheid

De thermische geleidbaarheid van SiC is drie keer zo groot als die van silicium. Bij toepassingen met hoog vermogen is de verwarming de “top killer”. Het SiC-apparaat kan de verwarming zelf sneller afvoeren, om het systeem stabiel te laten werken onder een hogere vermogensdichtheid, of om het warmteafvoersysteem te vereenvoudigen.

3) Werkcapaciteit op hoge temperatuur

De werktemperatuur van een siliciumapparaat ligt doorgaans onder de 175 °C, terwijl het SiC-apparaat stabiel kan werken boven de 200 °C. Dit maakt het betrouwbaarder in omgevingen met hoge temperaturen en zware omstandigheden, zoals elektronische systemen die zich dicht bij de motor van een auto bevinden.

3.Galliumnitride: de snelheidspionier op het hoogfrequente spoor

Het belangrijkste voordeel van GaN is de hoge frequentie. Het blinkt uit op twee gebieden:

Hoogfrequente vermogenselektronica (snelladen): momenteel de meest voorkomende toepassing, waardoor we compacte en zeer efficiënte GaN-snelladers kunnen gebruiken.

RF front-end: Eindversterkers in 5G-communicatiebasisstations en radarsystemen in de defensie-industrie.

Waarom GaN de koning is van hoogfrequente prestaties

1) Extreem hoge driftsnelheid van de elektronenverzadiging: elektronen bewegen extreem snel in GaN-materialen, wat betekent dat transistors extreem hoge schakelsnelheden kunnen bereiken. Voor schakelende voedingen maken hogere schakelfrequenties het gebruik van kleinere en lichtere condensatoren en inductoren mogelijk, waardoor miniaturisatie van de lader mogelijk wordt.

2) Transistor met hoge elektronenmobiliteit (HEMT): Zoals beschreven in het vorige artikel, kan de GaN-AlGaN heterojunctie-interface automatisch een tweedimensionaal elektronengas (2DEG) vormen, met een extreem hoge elektronenconcentratie en mobiliteit, wat resulteert in een extreem lage aan-weerstand. Dit geeft GaN-apparaten de dubbele voordelen van een laag geleidingsverlies en een laag schakelverlies tijdens schakelen op hoge snelheid.

3) Bredere bandafstand: Net als siliciumcarbide heeft GaN ook een brede bandafstand, waardoor het bestand is tegen hoge temperaturen en hoge spanningen, en robuuster is dan silicium.