ซิลิคอน ซิลิคอนคาร์ไบด์ และแกลเลียมไนไตรด์

เบื้องหลังผลิตภัณฑ์ดิจิทัลที่ใช้กันทั่วไปและยานพาหนะไฟฟ้าไฮเทค สถานีฐาน 5G มีวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลัก 3 ชนิด ได้แก่ ซิลิคอน ซิลิคอนคาร์ไบด์ และแกลเลียมไนไตรด์ที่ขับเคลื่อนอุตสาหกรรม พวกเขาไม่ใช่ทางเลือกสำหรับกันและกัน พวกเขาเป็นผู้เชี่ยวชาญในทีม และมีความพยายามที่ไม่อาจทดแทนได้ในสนามรบที่แตกต่างกัน เมื่อทำความเข้าใจกับการแบ่งงานแล้ว เราจะเห็นแผนผังการพัฒนาของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ได้

1.ซิลิคอน: รากฐานของวงจรรวม

ซิลิคอนเป็นราชาแห่งเซมิคอนดักเตอร์อย่างไม่ต้องสงสัย ครองทุกสาขาของการประมวลผลที่มีการบูรณาการสูงและซับซ้อน CPU ของคอมพิวเตอร์, SoC มือถือ, โปรเซสเซอร์กราฟิก, หน่วยความจำ, หน่วยความจำแฟลช และไมโครคอนโทรลเลอร์และชิปลอจิกดิจิทัลต่างๆ เกือบทั้งหมดสร้างขึ้นบนฐานซิลิคอน

เหตุใดซิลิคอนจึงครองสาขานี้

1) ปริญญาบูรณาการที่ดีเยี่ยม

ซิลิคอนมีคุณสมบัติเป็นวัสดุที่ดีเยี่ยม จึงสามารถปลูกฟิล์มฉนวน SiO2 ที่สมบูรณ์แบบบนพื้นผิวได้โดยผ่านกระบวนการออกซิเดชันด้วยความร้อน คุณสมบัตินี้เป็นฐานในการสร้างทรานซิสเตอร์ CMOS ซึ่งรวมทรานซิสเตอร์นับพันล้านถึงหมื่นล้านตัวไว้บนชิปชิ้นเล็กๆ เพื่อให้บรรลุฟังก์ชันลอจิสติกส์ที่ซับซ้อนมาก

2) กระบวนการที่ครบกำหนดและต้นทุนต่ำ

ด้วยการพัฒนามากว่าครึ่งศตวรรษ กระบวนการของซิลิคอนเป็นผลมาจากอารยธรรมอุตสาหกรรมของมนุษย์ทั้งหมด ตั้งแต่การทำให้บริสุทธิ์ การดึงคริสตัล ไปจนถึงการพิมพ์หินด้วยแสง การแกะสลัก ได้ก่อให้เกิดห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่เติบโตเต็มที่และมีขนาดใหญ่ เพื่อผลิตคริสตัลคุณภาพสูงด้วยขนาดที่น่าทึ่งและต้นทุนที่ต่ำมาก

3) ความสมดุลที่ดี

ซิลิคอนมีความสมดุลที่ดีที่สุดระหว่างการนำไฟฟ้า ความเร็วสวิตชิ่ง ต้นทุนการผลิต และประสิทธิภาพการระบายความร้อน แม้ว่าประสิทธิภาพอาจไม่ตรงกับประสิทธิภาพของวัสดุเริ่มต้นในประสิทธิภาพขั้นสูงสุด แต่ก็เพียงพออย่างสมบูรณ์แบบและเป็นตัวเลือกที่ประหยัดที่สุดสำหรับการจัดการสัญญาณดิจิทัลที่ซับซ้อนและการดำเนินการทางลอจิก

2.ซิลิคอนคาร์ไบด์: ผู้พิทักษ์พลังในสนามรบไฟฟ้าแรงสูง

SiC เป็นวัสดุปฏิวัติวงการในสนามไฟฟ้าแรงสูงและไฟฟ้าแรงสูง ส่วนใหญ่จะใช้ใน "อุปกรณ์ไฟฟ้า" เพื่อการแปลงและควบคุมพลังงาน เช่นอินเวอร์เตอร์ไดรฟ์หลัก เครื่องชาร์จออนบอร์ด ตัวแปลง DC-DC ในรถยนต์พลังงานใหม่ สถานีแปลงกริดอัจฉริยะ มอเตอร์ขับเคลื่อนอุตสาหกรรม และการขนส่งทางรถไฟในอุตสาหกรรมและโครงข่ายไฟฟ้า เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และเครื่องแปลงพลังงานลมในอุตสาหกรรมผลิตไฟฟ้าพลังงานใหม่

เหตุใด SiC จึงเหมาะสำหรับการใช้งานไฟฟ้าแรงสูง

1) ความแรงของสนามไฟฟ้าที่พังทลายสูงมาก

ความแรงของสนามไฟฟ้าพังทลายของ SiC นั้นสูงกว่าของซิลิคอนถึง 10 เท่า หมายถึงการสร้างอุปกรณ์ทนแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน โดยชั้น epitaxis ของ SiC อาจบางลง ความเข้มข้นของสารต้องห้ามอาจสูงขึ้น เพื่อลดความต้านทานออนของอุปกรณ์ เมื่อความต้านทานลดลง การสูญเสียพลังงานและการสร้างความร้อนจะลดลงอย่างมากเมื่อนำไฟฟ้า

2) การนำความร้อนที่ดี

ค่าการนำความร้อนของ SiC มีค่าเป็น 3 เท่าของซิลิคอน ในการใช้งานที่มีพลังงานสูง การให้ความร้อนถือเป็น "นักฆ่าอันดับต้นๆ" อุปกรณ์ SiC สามารถระบายความร้อนออกได้เองอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างเสถียรภายใต้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น หรือทำให้ระบบกระจายความร้อนง่ายขึ้น

3) ความสามารถในการทำงานที่อุณหภูมิสูง

โดยทั่วไปอุณหภูมิในการทำงานของอุปกรณ์ซิลิคอนจะต่ำกว่า 175°C ในขณะที่อุปกรณ์ SiC สามารถทำงานได้อย่างเสถียรที่สูงกว่า 200°C ทำให้เชื่อถือได้มากขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและรุนแรง เช่น ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ใกล้กับเครื่องยนต์ของรถยนต์

3.แกลเลียมไนไตรด์: ผู้บุกเบิกความเร็วบนเส้นทางความถี่สูง

ข้อได้เปรียบหลักของ GaN อยู่ที่ความถี่สูง มันส่องแสงในสองสาขา:

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังความถี่สูง (การชาร์จเร็ว): แอปพลิเคชันที่แพร่หลายที่สุดในปัจจุบัน ทำให้เราสามารถใช้เครื่องชาร์จ GaN ที่รวดเร็วขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูงได้

ส่วนหน้า RF: เครื่องขยายกำลังในสถานีฐานการสื่อสาร 5G และระบบเรดาร์ในอุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ

เหตุใด GaN จึงเป็นราชาแห่งประสิทธิภาพความถี่สูง

1) ความเร็วดริฟท์ของความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนที่สูงมาก: อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วมากในวัสดุ GaN ซึ่งหมายความว่าทรานซิสเตอร์สามารถบรรลุความเร็วการสลับที่สูงมาก สำหรับการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้นทำให้สามารถใช้ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำที่มีขนาดเล็กลงและเบาลงได้ จึงทำให้เครื่องชาร์จมีขนาดเล็กลงได้

2)ทรานซิสเตอร์การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง (HEMT): ตามรายละเอียดในบทความก่อนหน้านี้ อินเทอร์เฟซเฮเทอโรจังก์ชั่น GaN-AlGaN สามารถสร้างก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติ (2DEG) ได้โดยอัตโนมัติ โดยมีความเข้มข้นและความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงมาก ส่งผลให้มีความต้านทานออนต่ำมาก สิ่งนี้ทำให้อุปกรณ์ GaN มีข้อดีสองประการคือการสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำและการสูญเสียการสลับต่ำระหว่างการสลับความเร็วสูง

3)แถบความถี่ที่กว้างขึ้น: เช่นเดียวกับซิลิคอนคาร์ไบด์ GaN ยังมีแถบความถี่ที่กว้าง ทำให้ทนทานต่ออุณหภูมิสูงและแรงดันไฟฟ้าสูง และมีความทนทานมากกว่าซิลิคอน