Silício, Carboneto de Silício e Nitreto de Gálio

Por trás dos produtos digitais comumente usados ​​e dos veículos elétricos de alta tecnologia, estação base 5G, existem três materiais semicondutores principais: Silício, Carboneto de Silício e Nitreto de Gálio que impulsionam a indústria. Eles não são alternativas um para o outro, são os especialistas de uma equipe e têm um esforço insubstituível em diferentes campos de batalha. Compreendendo a divisão do trabalho, podemos ver a árvore de desenvolvimento da indústria eletrônica moderna.

1.Silício: A pedra base dos circuitos integrados

O silício é, sem dúvida, o rei dos semicondutores, dominando todo o campo da computação altamente integrada e complexa. A CPU do computador, o SoC móvel, os processadores gráficos, a memória, a memória flash e vários microcontroladores e chips lógicos digitais, quase todos são construídos com base em silício.

Por que o silício domina este campo

1)Excelente diploma integrado

O silício possui ótimas propriedades de material, podendo formar um filme isolante de SiO2 perfeito na superfície por meio do processo de oxidação térmica. Esta propriedade é a base para construir transistores CMOS, integrando bilhões e até dez bilhões de transistores em um pequeno pedaço de chip, para alcançar funções logísticas extremamente complexas.

2)Processo maduro e baixo custo

Através de mais de meio século de desenvolvimento, o processo do Silício é o resultado de toda a civilização industrial humana. Da purificação, extração de cristais, à fotolitografia e gravação, vem formando cadeias industriais maduras e enormes, para produzir cristais de alta qualidade com escala surpreendente e custo extremamente baixo.

3)Bom equilíbrio

O silício alcança o melhor equilíbrio entre condutividade, velocidade de comutação, custo de fabricação e desempenho térmico. Embora possa não corresponder ao desempenho de seu material inicial em desempenho extremo, é perfeitamente adequado e a escolha mais econômica para lidar com sinais digitais complexos e operações lógicas.

2.Carboneto de Silício: Guardiões do Poder no Campo de Batalha de Alta Tensão

SiC é o material de revolução no campo de alta voltagem e alta potência. É usado principalmente em "dispositivos de energia" para conversão e controle de energia. Como inversor de acionamento principal, carregador de bordo, conversor DC-DC em veículos de energia nova; estações conversoras de redes inteligentes, acionamentos de motores industriais e trânsito ferroviário na indústria e na rede elétrica; inversores fotovoltaicos e conversores de energia eólica na nova indústria de geração de energia.

Por que o SiC é adequado para aplicações de alta tensão

1)Força de campo elétrico de decomposição extremamente alta

A intensidade do campo elétrico de ruptura do SiC é 10 vezes maior que a do Silício. Isso significa fabricar o mesmo dispositivo suportável de tensão, a camada epitaxial de SiC pode ser mais fina, a concentração de dopagem pode ser maior, para reduzir a resistência do dispositivo. Quando a resistência diminui, a perda de energia e a geração de calor podem ser significativamente reduzidas durante a condução.

2)Boa condutividade térmica

A condutividade térmica do SiC é 3 vezes maior que a do Silício. Na aplicação de alta potência, o aquecimento é o “top killer”. O dispositivo SiC pode liberar mais rapidamente o próprio aquecimento, para permitir o trabalho estável do sistema sob maior densidade de potência ou simplificar o sistema de dissipação de calor.

3)Capacidade de trabalho em alta temperatura

O silício é, sem dúvida, o rei dos semicondutores, dominando todo o campo da computação altamente integrada e complexa. A CPU do computador, o SoC móvel, os processadores gráficos, a memória, a memória flash e vários microcontroladores e chips lógicos digitais, quase todos são construídos com base em silício.

3.Nitreto de gálio: o pioneiro da velocidade na pista de alta frequência

A principal vantagem do GaN está na alta frequência. Ela brilha em dois campos:

Eletrônica de potência de alta frequência (carregamento rápido): a aplicação mais difundida atualmente, permitindo-nos usar carregadores rápidos GaN compactos e altamente eficientes.

Front-end de RF: Amplificadores de potência em estações base de comunicação 5G e sistemas de radar na indústria de defesa.

Por que GaN é o rei do desempenho de alta frequência

1) Velocidade de deriva de saturação de elétrons extremamente alta: Os elétrons se movem extremamente rápido em materiais GaN, o que significa que os transistores podem atingir velocidades de comutação extremamente altas. Para fontes de alimentação comutadas, frequências de comutação mais altas permitem o uso de capacitores e indutores menores e mais leves, permitindo assim a miniaturização do carregador.

2) Transistor de alta mobilidade eletrônica (HEMT): Conforme detalhado no artigo anterior, a interface de heterojunção GaN-AlGaN pode formar automaticamente um gás de elétrons bidimensional (2DEG), com concentração e mobilidade de elétrons extremamente altas, resultando em resistência extremamente baixa. Isso dá aos dispositivos GaN as vantagens duplas de baixa perda de condução e baixa perda de comutação durante comutação de alta velocidade.

3) Bandgap mais amplo: semelhante ao carboneto de silício, o GaN também possui um bandgap amplo, tornando-o resistente a altas temperaturas e altas tensões, e mais robusto que o silício.