چرا نیمه هادی نسل سوم اینقدر محبوب است؟ 4 تصویر برای درک فوری فناوری های کلیدی GaN و SiC.
March 6, 2024
نیمه هادی نسل سوم در حال حاضر داغ ترین موضوع در زمینه فناوری پیشرفته است و نقش اساسی در توسعه 5G، وسایل نقلیه الکتریکی، انرژی های تجدید پذیر و صنعت 4 دارد.0. حتی اگر ما اغلب در مورد این تحولات می شنویم، بسیاری از مردم هنوز فقط درک مبهم از آنها دارند. پس، دقیقا نیمه هادی نسل سوم چیست؟ در این سری،ما ساده ترین و جامع ترین دیدگاه را برای کمک به شما در درک این فناوری کلیدی که آماده شکل دادن به آینده صنعت فناوری است ارائه خواهیم داد..
نیمه هادی نسل سوم و باند گپ گسترده چیست؟
وقتی در مورد نسل سوم نیمه هادی صحبت می کنیم، اجازه دهید ابتدا به طور خلاصه نسل اول و دوم را معرفی کنیم.نیمه هادی نسل اول سیلیکون (Si) استنیمه هادی نسل سوم (همچنین به عنوان "نیم هادی باند گسترده" شناخته می شود) ،" WBG) شامل کربید سیلیکون (SiC) و گالیوم نیترید (GaN).
"بندگاپ" در نیمه هادی های باند گاپ گسترده نشان دهنده "فوق انرژی مورد نیاز برای یک نیمه هادی برای انتقال از حالت عایق به حالت رسانا" است.
سیلیکون و آرسنیید گالیوم، به عنوان نیمه هادی های نسل اول و دوم، دارای فواصل باند کم با مقادیر به ترتیب 1.12 eV و 1.43 eV هستند. در مقابل،فواصل باند نسل سوم (فراغ باند گسترده) نیمه هادی SiC و GaN 3 هستند.2eV و 3.4eV، به ترتیب. بنابراین، هنگامی که در معرض دمای بالا، فشار یا جریان،نیمه هادی های نسل سوم کمتر احتمال دارد از حالت عایق به حالت رسانا در مقایسه با نسل اول و دوم تغییر کنند.آنها دارای ویژگی های پایدارتر و قابلیت های تبدیل انرژی بهتر هستند.
تصورات غلط رایج در مورد نیمه هادی های نسل سوم
با ظهور عصر 5G و خودروهای الکتریکی، تقاضا برای فرکانس بالا، محاسبات با سرعت بالا و شارژ سریع افزایش یافته است.سیلیکون و آرسنید گالیوم از نظر دمایی به حد خود رسیده اند، فرکانس و قدرت، باعث افزایش قدرت و سرعت می شود. علاوه بر این، هنگامی که دمای کار بیش از 100 درجه است، دو نسل اول محصولات بیشتر مستعد شکست هستند،که باعث می شود آنها برای محیط های خشن مناسب نباشند.با توجه به تمرکز جهانی بر انتشار کربن، نیمه هادی های با کارایی بالا و مصرف انرژی پایین نسل سوم تبدیل به محبوب جدید عصر شده اند.
نیمه هادی های نسل سوم حتی در فرکانس های بالا نیز می توانند عملکرد و ثبات عالی را حفظ کنند. آنها همچنین ویژگی هایی مانند سرعت سوئیچ سریع، اندازه کوچک،و تبعید سریع گرماهنگامی که اندازه تراشه ها به شدت کاهش می یابد، آنها به ساده سازی طراحی مدار محیطی کمک می کنند، در نتیجه حجم ماژول ها و سیستم های خنک کننده را کاهش می دهند.
بسیاری از مردم به اشتباه معتقدند که نیمه هادی های نسل سوم از پیشرفت های تکنولوژیکی نسل اول و دوم جمع آوری شده اند، اما این کاملا درست نیست.همانطور که در نمودار دیده می شود، این سه نسل از نیمه هادی در واقع در حال توسعه فناوری های موازی هستند.
SiC و GaN هرکدام دارای مزایا و زمینه های مختلف توسعه خود هستند.
پس از درک تفاوت های بین سه نسل اول نیمه هادی، ما سپس بر روی مواد نسل سوم نیمه هادی - SiC و GaN تمرکز می کنیم.این دو ماده دارای زمینه های کاربرد کمی متفاوت هستند.در حال حاضر، اجزای GaN به طور معمول در زمینه هایی با ولتاژ زیر 900V مانند شارژرها، ایستگاه های پایه و سایر محصولات فرکانس بالا مربوط به ارتباطات 5G استفاده می شود.از طرف دیگر، در کاربردهایی با ولتاژ بالاتر از 1200 ولت مانند وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود.
SiC از سیلیکون (Si) و کربن (C) تشکیل شده است، با اتصال قوی و ثبات از نظر حرارتی، شیمیایی و مکانیکی.SiC برای برنامه های ولتاژ بالا و جریان بالا مناسب است، مانند وسایل نقلیه الکتریکی، زیرساخت های شارژ خودروهای الکتریکی، تجهیزات تولید انرژی خورشیدی و باد دریایی.
علاوه بر این، سی سی خود از فناوری "اپیتکسی همگن" استفاده می کند، بنابراین کیفیت خوبی و قابلیت اطمینان بالای قطعات دارد. این نیز دلیل اصلی استفاده از آن در وسایل نقلیه الکتریکی است.,از آنجایی که دستگاه عمودی است، چگالی قدرت بالایی دارد.
در حال حاضر سیستم قدرت وسایل نقلیه الکتریکی عمدتاً بین 200 و 450 ولت کار می کند و مدل های پیشرفته تر در آینده به سمت 800 ولت حرکت می کنند و این بازار را به بازار اصلی SiC تبدیل می کند.تولید وافرهای SiC دشوار است، با الزامات بالا برای کریستال منبع کریستال بلند، که به راحتی به دست نمی آید.مشکل تکنولوژی کریستال بلند به این معنی است که تولید در مقیاس بزرگ هنوز هم در حال حاضر امکان پذیر نیست.، که بعداً بیشتر توضیح داده خواهد شد.
GaN یک جزء جانبی است که بر روی زیربناهای مختلف مانند زیربناهای SiC یا Si با استفاده از فناوری "اپیتاکسی ناهمگن" رشد می کند.فیلم های نازک GaN تولید شده با این روش دارای کیفیت نسبتا ضعیف هستند.اگرچه در حال حاضر در حوزه های مصرف کننده مانند شارژ سریع استفاده می شوند، اما برخی از تردیدها در مورد استفاده از آنها در وسایل نقلیه الکتریکی یا کاربردهای صنعتی وجود دارد.که این هم یک جهت است که تولید کنندگان مشتاق به شکستن از طریق هستند.
زمینه های کاربرد GaN شامل دستگاه های قدرت ولتاژ بالا (Power) و اجزای فرکانس بالا (RF) است. قدرت اغلب به عنوان تبدیل کننده های قدرت و اصلاح کننده ها استفاده می شود.در حالی که تکنولوژی های رایج مانند بلوتوث، وای فای و موقعیت یابی GPS نمونه هایی از اجزای فرکانس رادیویی RF هستند.
از نظر تکنولوژی زیربنای، هزینه تولید زیربنای GaN نسبتا بالا است. بنابراین، اجزای GaN عمدتا بر اساس زیربنای سیلیکون است.دستگاه های قدرت GaN که در حال حاضر در بازار موجود هستند با استفاده از دو نوع وافر ساخته می شوند.: GaN-on-Si (نیترید گالیوم بر روی سیلیکون) و GaN-on-SiC (نیترید گالیوم بر روی کربید سیلیکون).
کاربردهای رایج فناوری فرآیند GaN، مانند دستگاه های فرکانس رادیویی RF GaN و PowerGaN، از فناوری زیربنای GaN-on-Si مشتق شده اند.به دلیل مشکلات در تولید زیربناهای کربید سیلیکون (SiC)، این فناوری عمدتا توسط چند تولید کننده بین المللی مانند Cree و II-VI در ایالات متحده و ROHM Semiconductor کنترل می شود.