Γιατί είναι τόσο δημοφιλής ο ημιαγωγός τρίτης γενιάς; 4 εικόνες για να καταλάβουμε άμεσα τις βασικές τεχνολογίες GaN και SiC.

Οι ημιαγωγοί τρίτης γενιάς είναι σήμερα το πιο καυτό θέμα στον τομέα της υψηλής τεχνολογίας, διαδραματίζοντας αναπόφευκτο ρόλο στην ανάπτυξη του 5G, των ηλεκτρικών οχημάτων, της ανανεώσιμης ενέργειας και της βιομηχανίας 4.0Παρόλο που συχνά ακούμε για αυτές τις εξελίξεις, πολλοί άνθρωποι έχουν ακόμα μόνο μια αόριστη κατανόηση τους.Θα σας προσφέρουμε την πιο απλή και ολοκληρωμένη προοπτική για να σας βοηθήσουμε να κατανοήσετε αυτή την βασική τεχνολογία που είναι έτοιμη να διαμορφώσει το μέλλον της τεχνολογικής βιομηχανίας..

Τι είναι η τρίτη γενιά ημιαγωγών και ευρείας ζώνης;

Όταν μιλάμε για ημιαγωγούς τρίτης γενιάς, ας εισαγάγουμε πρώτα τη πρώτη και τη δεύτερη γενιά.η πρώτη γενιά ημιαγωγών είναι πυρίτιο (Si)Ο ημιαγωγός τρίτης γενιάς (γνωστός και ως "ημιαγωγός ευρείας ζώνης"," WBG) περιλαμβάνει το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN).

Το "bandgap" σε ημιαγωγούς ευρείας ζώνης αντιπροσωπεύει "το ενεργειακό κενό που απαιτείται για έναν ημιαγωγό για τη μετάβαση από μονωτικές σε αγωγικές καταστάσεις".

Το πυρίτιο και το αρσενικό γαλλίου, ως ημιαγωγοί πρώτης και δεύτερης γενιάς, έχουν χαμηλά εύματα ζώνης, με τιμές 1,12 eV και 1,43 eV, αντίστοιχα.οι ζώνες των ημιαγωγών τρίτης γενιάς (wide-bandgap) SiC και GaN είναι 3Ως εκ τούτου, όταν υποβάλλονται σε υψηλές θερμοκρασίες, πιέσεις ή ρεύματα,οι ημιαγωγοί τρίτης γενιάς είναι λιγότερο πιθανό να μεταβούν από μονωτικές σε αγωγικές καταστάσεις σε σύγκριση με την πρώτη και τη δεύτερη γενιάΔείχνουν πιο σταθερά χαρακτηριστικά και καλύτερες δυνατότητες μετατροπής ενέργειας.

Συχνές παρανοήσεις σχετικά με τους ημιαγωγούς τρίτης γενιάς

Με την έλευση της εποχής του 5G και των ηλεκτρικών οχημάτων, η ζήτηση για υψηλής συχνότητας, υψηλής ταχύτητας υπολογιστές και γρήγορη φόρτιση έχει αυξηθεί.Το πυρίτιο και το αρσενικό γαλλίου έχουν φτάσει στα όριά τους από άποψη θερμοκρασίας.Επιπλέον, όταν οι θερμοκρασίες λειτουργίας υπερβαίνουν τους 100 βαθμούς, οι δύο πρώτες γενιές προϊόντων είναι πιο επιρρεπείς σε βλάβη,καθιστώντας τους ακατάλληλους για σκληρά περιβάλλονταΜε την παγκόσμια εστίαση στις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, οι υψηλής απόδοσης, χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας ημιαγωγοί τρίτης γενιάς έχουν γίνει τα νέα αγαπημένα της εποχής.

Οι ημιαγωγοί τρίτης γενιάς μπορούν να διατηρήσουν εξαιρετικές επιδόσεις και σταθερότητα ακόμη και σε υψηλές συχνότητες.και ταχεία διάχυση της θερμότηταςΌταν τα μεγέθη των τσιπ μειώνονται σημαντικά, συμβάλλουν στην απλούστευση του σχεδιασμού περιφερειακών κυκλωμάτων, μειώνοντας έτσι τον όγκο των μονάδων και των συστημάτων ψύξης.

Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν λανθασμένα ότι οι ημιαγωγοί τρίτης γενιάς συσσωρεύονται από τις τεχνολογικές εξελίξεις της πρώτης και της δεύτερης γενιάς, αλλά αυτό δεν είναι εντελώς αλήθεια.Όπως φαίνεται στο διάγραμμα, αυτές οι τρεις γενιές ημιαγωγών στην πραγματικότητα αναπτύσσουν τεχνολογίες παράλληλα.

Το SiC και το GaN έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και διαφορετικούς τομείς ανάπτυξης.

Αφού κατανοήσουμε τις διαφορές μεταξύ των πρώτων τριών γενεών των ημιαγωγών, θα επικεντρωθούμε στη συνέχεια στα υλικά της τρίτης γενιάς των ημιαγωγών - SiC και GaN.Αυτά τα δύο υλικά έχουν ελαφρώς διαφορετικά πεδία εφαρμογήςΕπί του παρόντος, τα συστατικά GaN χρησιμοποιούνται συνήθως σε τομείς με τάσεις κάτω των 900V, όπως φορτιστές, σταθμοί βάσης και άλλα προϊόντα υψηλής συχνότητας που σχετίζονται με τις επικοινωνίες 5G.από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιείται σε εφαρμογές με τάσεις μεγαλύτερες από 1200V, όπως ηλεκτρικά οχήματα.

Το SiC αποτελείται από πυρίτιο (Si) και άνθρακα (C), με ισχυρή σύνδεση και σταθερότητα σε θερμική, χημική και μηχανική έννοια.Το SiC είναι κατάλληλο για εφαρμογές υψηλής τάσης και υψηλού ρεύματος, όπως ηλεκτρικά οχήματα, υποδομή φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, εξοπλισμός παραγωγής ηλιακής και υπεράκτιας αιολικής ενέργειας.

Επιπλέον, το ίδιο το SiC χρησιμοποιεί τεχνολογία "ομοιογενούς επιταξίας", έτσι ώστε να έχει καλή ποιότητα και υψηλή αξιοπιστία των εξαρτημάτων.,Καθώς είναι μια κάθετη συσκευή, έχει υψηλή πυκνότητα ισχύος.

Σήμερα, το σύστημα ισχύος των ηλεκτρικών οχημάτων λειτουργεί κυρίως μεταξύ 200V και 450V και τα μοντέλα υψηλότερης τεχνολογίας θα κινηθούν προς τα 800V στο μέλλον, καθιστώντας την κύρια αγορά για το SiC.Η κατασκευή κυψελών SiC είναι δύσκολη, με υψηλές απαιτήσεις για τον κρυστάλλιο πηγή του μακρού κρυστάλλου, ο οποίος δεν είναι εύκολα προερχόμενος.Η δυσκολία της τεχνολογίας των μεγάλων κρυστάλλων σημαίνει ότι η μεγάλης κλίμακας παραγωγή δεν είναι ακόμη εφικτή επί του παρόντος., η οποία θα αναπτυχθεί περαιτέρω αργότερα.

Το GaN είναι ένα πλευρικό συστατικό που αναπτύσσεται σε διαφορετικά υποστρώματα, όπως SiC ή Si υποστρώματα, χρησιμοποιώντας τεχνολογία "ετερογενούς επιταξίας".Οι λεπτές ταινίες GaN που παράγονται με αυτή τη μέθοδο έχουν σχετικά κακή ποιότητα.Παρόλο που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε καταναλωτικούς τομείς, όπως η ταχεία φόρτιση, υπάρχουν κάποιες αμφιβολίες σχετικά με τη χρήση τους σε ηλεκτρικά οχήματα ή βιομηχανικές εφαρμογές.που είναι επίσης μια κατεύθυνση που οι κατασκευαστές είναι πρόθυμοι να σπάσουν μέσα από.

Οι τομείς εφαρμογής του GaN περιλαμβάνουν συσκευές ισχύος υψηλής τάσης (Power) και συστατικά υψηλής συχνότητας (RF).ενώ οι κοινώς χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες όπως το Bluetooth, το Wi-Fi και η τοποθέτηση GPS είναι παραδείγματα συστατικών ραδιοσυχνοτήτων RF.

Όσον αφορά την τεχνολογία υποστρώματος, το κόστος παραγωγής των υποστρώσεων GaN είναι σχετικά υψηλό.Οι συσκευές ισχύος GaN που διατίθενται επί του παρόντος στην αγορά κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας δύο τύπους πλακιδίων.: GaN-on-Si (νιτρικό γάλλιο στο πυρίτιο) και GaN-on-SiC (νιτρικό γάλλιο στο καρβίδιο του πυριτίου).

Οι κοινές εφαρμογές τεχνολογίας διαδικασίας GaN, όπως οι συσκευές ραδιοσυχνοτήτων GaN RF και το PowerGaN, προέρχονται από την τεχνολογία υποστρώματος GaN-on-Si.λόγω των δυσκολιών στην παραγωγή υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου (SiC), η τεχνολογία ελέγχεται κυρίως από μερικούς διεθνείς κατασκευαστές, όπως οι Cree και II-VI στις Ηνωμένες Πολιτείες και η ROHM Semiconductor.