السيليكون وكربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم

خلف المنتجات الرقمية شائعة الاستخدام والمركبات الكهربائية عالية التقنية، ومحطة قاعدة 5G، هناك 3 مواد أساسية لأشباه الموصلات: السيليكون، وكربيد السيليكون، ونيتريد الغاليوم التي تقود الصناعة. إنهم ليسوا بديلين لبعضهم البعض، فهم الخبراء في الفريق، ولديهم جهد لا يمكن تعويضه في ساحات القتال المختلفة. ومن خلال فهم تقسيم العمل، يمكننا رؤية شجرة تطور صناعة الإلكترونيات الحديثة.

1.السيليكون: حجر الأساس للدوائر المتكاملة

السيليكون هو بلا شك ملك أشباه الموصلات، ويسيطر على جميع مجالات الحوسبة المتكاملة والمعقدة. وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر، وSOC المحمول، ومعالجات الرسومات، والذاكرة، وذاكرة الفلاش، والعديد من وحدات التحكم الدقيقة وشرائح المنطق الرقمي، كلها تقريبًا مبنية على قاعدة السيليكون.

لماذا يهيمن السيليكون على هذا المجال؟

1) درجة متكاملة ممتازة

يتمتع السيليكون بخصائص مادية رائعة، حيث يمكن إنتاج طبقة عازلة مثالية من SiO2 على السطح من خلال عملية الأكسدة الحرارية. هذه الخاصية هي الأساس لبناء ترانزستور CMOS، حيث يتم دمج مليارات حتى عشرة مليارات ترانزستورات على قطعة صغيرة من الرقاقة، لتحقيق الوظائف اللوجستية المعقدة للغاية.

2) عملية ناضجة ومنخفضة التكلفة

خلال أكثر من نصف قرن من التطور، أصبحت عملية السيليكون نتيجة للحضارة الصناعية البشرية بأكملها. من التنقية، وسحب البلورات، إلى الطباعة الحجرية الضوئية، والحفر، فقد تم تشكيل سلاسل صناعية ناضجة وضخمة، لإنتاج البلورات عالية الجودة بحجم مذهل وتكلفة منخفضة للغاية.

3) توازن جيد

يحقق السيليكون أفضل توازن بين التوصيل وسرعة التبديل وتكلفة التصنيع والأداء الحراري. على الرغم من أنها قد لا تتطابق مع أداء المواد الناشئة في الأداء الفائق، إلا أنها مناسبة تمامًا والخيار الأكثر اقتصادا للتعامل مع الإشارات الرقمية المعقدة والعمليات المنطقية.

2.كربيد السيليكون: رائدة السرعة على المسار عالي التردد

SiC هي مادة الثورة في مجال الجهد العالي والطاقة العالية. يتم استخدامه بشكل أساسي في "أجهزة الطاقة" لتحويل الطاقة والتحكم فيها. مثل عاكس المحرك الرئيسي، والشاحن الموجود على متن الطائرة، ومحول DC-DC في مركبات الطاقة الجديدة؛ محطات تحويل الشبكة الذكية، ومحركات المحركات الصناعية، والنقل بالسكك الحديدية في الصناعة وشبكة الكهرباء؛ العاكسات الضوئية ومحولات طاقة الرياح في صناعة توليد الطاقة الجديدة.

لماذا يعتبر SiC مناسبًا لتطبيقات الجهد العالي

1) شدة المجال الكهربائي عالية الانهيار

قوة المجال الكهربائي للانهيار في SiC أعلى بـ 10 مرات من قوة السيليكون. وهذا يعني تصنيع نفس جهاز تحمل الجهد، ويمكن أن تكون الطبقة الفوقية من SiC أرق، ويمكن أن يكون تركيز المنشطات أعلى، لتقليل مقاومة الجهاز. عندما تصبح المقاومة أقل، يمكن تقليل فقدان الطاقة وتوليد الحرارة بشكل كبير عند التوصيل.

2) الموصلية الحرارية الجيدة

الموصلية الحرارية لـ SiC هي 3 أضعاف السيليكون. في تطبيقات الطاقة العالية، التسخين هو "القاتل الأول". يمكن لجهاز SiC إخراج التسخين نفسه بسرعة أكبر، للسماح بالعمل المستقر للنظام في ظل كثافة طاقة أعلى، أو تبسيط نظام تبديد الحرارة.

3) قدرة العمل على درجة حرارة عالية

عادة ما تكون درجة حرارة تشغيل جهاز السيليكون أقل من 175 درجة مئوية، في حين أن جهاز SiC يمكن أن يعمل بشكل مستقر عند درجة حرارة أعلى من 200 درجة مئوية. وهذا يجعلها أكثر موثوقية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والقاسية، مثل الأنظمة الإلكترونية الموجودة بالقرب من محرك السيارة.

3.نيتريد الغاليوم: رائدة السرعة على المسار عالي التردد

الميزة الأساسية لـ GaN هي التردد العالي. ويشرق في مجالين:

إلكترونيات الطاقة عالية التردد (الشحن السريع): التطبيق الأكثر انتشارًا حاليًا، مما يتيح لنا استخدام أجهزة الشحن السريعة المدمجة وعالية الكفاءة GaN.

الواجهة الأمامية للترددات اللاسلكية: مضخمات الطاقة في محطات قاعدة اتصالات 5G وأنظمة الرادار في صناعة الدفاع.

لماذا يعتبر GaN ملك الأداء عالي التردد

1) سرعة انجراف التشبع الإلكتروني العالية للغاية: تتحرك الإلكترونات بسرعة كبيرة في مواد GaN، مما يعني أن الترانزستورات يمكنها تحقيق سرعات تحويل عالية للغاية. لتبديل مصادر الطاقة، تسمح ترددات التبديل الأعلى باستخدام مكثفات ومحثات أصغر وأخف وزنًا، مما يتيح تصغير الشاحن.

2) ترانزستور حركة الإلكترون العالي (HEMT): كما هو مفصل في المقالة السابقة، يمكن لواجهة الوصل المتغاير GaN-AlGaN أن تشكل تلقائيًا غاز إلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG)، مع تركيز إلكترون عالي للغاية وقابلية للتنقل، مما يؤدي إلى مقاومة منخفضة للغاية. وهذا يمنح أجهزة GaN المزايا المزدوجة المتمثلة في انخفاض فقدان التوصيل وانخفاض فقدان التبديل أثناء التبديل عالي السرعة.

3) فجوة نطاق أوسع: على غرار كربيد السيليكون، يتمتع GaN أيضًا بفجوة نطاق واسعة، مما يجعله مقاومًا لدرجات الحرارة العالية والفولتية العالية، وأكثر قوة من السيليكون.