Silicio, Carburo de Silicio y Nitruro de Galio

Detrás de los productos digitales de uso común y los vehículos eléctricos de alta tecnología, la estación base 5G, hay tres materiales semiconductores centrales: silicio, carburo de silicio y nitruro de galio que impulsan la industria. No son una alternativa entre sí, son los expertos de un equipo y tienen un esfuerzo insustituible en diferentes campos de batalla. Al comprender su división del trabajo, podemos ver el árbol de desarrollo de la industria electrónica moderna.

1.Nitruro de galio: La piedra base de los circuitos integrados

El silicio es sin duda el rey de los semiconductores y domina todo el campo de la informática compleja y altamente integrada. La CPU de la computadora, el SoC móvil, los procesadores gráficos, la memoria, la memoria flash y varios microcontroladores y chips lógicos digitales, casi todos están construidos sobre una base de silicio.

Por qué el silicio domina este campo

1)Excelente grado integrado

El silicio tiene excelentes propiedades materiales; se puede formar una película aislante de SiO2 perfecta en la superficie mediante el proceso de oxidación térmica. Esta propiedad es la base para construir un transistor CMOS, integrando miles de millones e incluso diez mil millones de transistores en una pequeña pieza de chip, para lograr funciones logísticas extremadamente complejas.

2)Proceso maduro y bajo costo.

A lo largo de más de medio siglo de desarrollo, el proceso del silicio es el resultado de toda la civilización industrial humana. Desde la purificación, la extracción de cristales hasta la fotolitografía y el grabado, se ha ido formando una cadena industrial enorme y madura para producir cristales de alta calidad con una escala asombrosa y un costo extremadamente bajo.

3)Buen equilibrio

El silicio logra el mejor equilibrio entre conductividad, velocidad de conmutación, costo de fabricación y rendimiento térmico. Si bien puede que no iguale el rendimiento extremo de su nuevo material, es perfectamente adecuado y la opción más económica para manejar señales digitales complejas y operaciones lógicas.

2.Carburo de Silicio: Guardianes del poder en el campo de batalla de alto voltaje

El SiC es el material revolucionario en el campo de alta tensión y alta potencia. Se utiliza principalmente en "dispositivos de potencia" para conversión y control de energía. Como inversor de accionamiento principal, cargador a bordo, convertidor CC-CC en vehículos de nueva energía; estaciones convertidoras de redes inteligentes, accionamientos de motores industriales y tránsito ferroviario en la industria y la red eléctrica; Inversores fotovoltaicos y convertidores de energía eólica en la industria de generación de energía de nueva energía.

Por qué el SiC es adecuado para aplicaciones de alta tensión

1) Fuerza de campo eléctrico de ruptura extremadamente alta

A lo largo de más de medio siglo de desarrollo, el proceso del silicio es el resultado de toda la civilización industrial humana. Desde la purificación, la extracción de cristales hasta la fotolitografía y el grabado, se ha ido formando una cadena industrial enorme y madura para producir cristales de alta calidad con una escala asombrosa y un costo extremadamente bajo.

2)Buena conductividad térmica

La conductividad térmica del SiC es 3 veces mayor que la del silicio. En la aplicación de alta potencia, la calefacción es el "principal asesino". El dispositivo de SiC puede sacar más rápidamente la calefacción, para permitir el funcionamiento estable del sistema con una mayor densidad de potencia o simplificar el sistema de disipación de calor.

3)Capacidad de trabajo a alta temperatura

La temperatura de funcionamiento del dispositivo de silicio suele ser inferior a 175 °C, mientras que el dispositivo de SiC puede funcionar de forma estable por encima de 200 °C. Esto lo hace más confiable en entornos hostiles y de alta temperatura, como los sistemas electrónicos ubicados cerca del motor del automóvil.

3.Nitruro de galio: el pionero de la velocidad en la pista de alta frecuencia

La principal ventaja del GaN es la alta frecuencia. Brilla en dos campos:

Electrónica de potencia de alta frecuencia (carga rápida): la aplicación más extendida actualmente, que nos permite utilizar cargadores rápidos GaN compactos y de gran eficiencia.

Front-end de RF: amplificadores de potencia en estaciones base de comunicación 5G y sistemas de radar en la industria de defensa.

Por qué GaN es el rey del rendimiento de alta frecuencia

1) Velocidad de deriva de saturación de electrones extremadamente alta: los electrones se mueven extremadamente rápido en materiales de GaN, lo que significa que los transistores pueden alcanzar velocidades de conmutación extremadamente altas. Para fuentes de alimentación conmutadas, frecuencias de conmutación más altas permiten el uso de condensadores e inductores más pequeños y livianos, lo que permite la miniaturización del cargador.

2) Transistor de alta movilidad de electrones (HEMT): como se detalla en el artículo anterior, la interfaz de heterounión GaN-AlGaN puede formar automáticamente un gas de electrones bidimensional (2DEG), con una concentración y movilidad de electrones extremadamente altas, lo que resulta en una resistencia de encendido extremadamente baja. Esto brinda a los dispositivos GaN la doble ventaja de una baja pérdida de conducción y una baja pérdida de conmutación durante la conmutación de alta velocidad.

3) Banda prohibida más amplia: similar al carburo de silicio, GaN también tiene una banda prohibida amplia, lo que lo hace resistente a altas temperaturas y altos voltajes, y más robusto que el silicio.