Silizium, Siliziumkarbid und Galliumnitrid

Die elektrische Durchschlagsfeldstärke von SiC ist zehnmal höher als die von Silizium. Dies bedeutet, dass bei der Herstellung des gleichen spannungsfesten Bauelements die Epitaxieschicht aus SiC dünner und die Dotierungskonzentration höher sein kann, um den Einschaltwiderstand des Bauelements zu verringern. Wenn der Widerstand geringer wird, können der Energieverlust und die Wärmeentwicklung bei der Leitung deutlich reduziert werden.

1.Silizium: Der Grundstein der integrierten Schaltkreise

Silizium ist zweifellos der König der Halbleiter und beherrscht den gesamten Bereich der hochintegrierten und komplexen Datenverarbeitung. Die Computer-CPU, das mobile SoC, die Grafikprozessoren, der Arbeitsspeicher, der Flash-Speicher sowie verschiedene Mikrocontroller und digitale Logikchips sind fast alle auf Siliziumbasis aufgebaut.

Warum Silizium dieses Feld dominiert

1)Ausgezeichneter integrierter Abschluss

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2) Ausgereifter Prozess und niedrige Kosten

Der Siliziumprozess ist seit mehr als einem halben Jahrhundert das Ergebnis der gesamten menschlichen Industriezivilisation. Von der Reinigung über das Ziehen von Kristallen bis hin zur Fotolithographie und Ätzung hat es ausgereifte und riesige Industrieketten gebildet, um hochwertige Kristalle in erstaunlicher Größenordnung und zu extrem niedrigen Kosten herzustellen.

3) Gute Balance

Silizium erreicht das beste Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit, Schaltgeschwindigkeit, Herstellungskosten und thermischer Leistung. Auch wenn es bei extremer Leistung möglicherweise nicht mit der Leistung seines Vorgängermaterials mithalten kann, ist es für die Verarbeitung komplexer digitaler Signale und Logikoperationen völlig ausreichend und die wirtschaftlichste Wahl.

2.Siliziumkarbid: Power Guardians auf dem Hochvolt-Schlachtfeld

SiC ist das Revolutionsmaterial im Hochvolt- und Hochleistungsbereich. Es wird hauptsächlich in „Leistungsgeräten“ zur Stromumwandlung und -steuerung verwendet. Wie zum Beispiel Hauptantriebswechselrichter, Bordladegerät, DC-DC-Wandler in Fahrzeugen mit neuer Energie; Smart-Grid-Konverterstationen, industrielle Motorantriebe und Schienenverkehr in der Industrie und im Stromnetz; Photovoltaik-Wechselrichter und Windkraftkonverter in der neuen Energieerzeugungsindustrie.

Warum SiC für Hochspannungsanwendungen geeignet ist

1)Extrem hohe elektrische Durchschlagsfeldstärke

Die elektrische Durchschlagsfeldstärke von SiC ist zehnmal höher als die von Silizium. Dies bedeutet, dass bei der Herstellung des gleichen spannungsfesten Bauelements die Epitaxieschicht aus SiC dünner und die Dotierungskonzentration höher sein kann, um den Einschaltwiderstand des Bauelements zu verringern. Wenn der Widerstand geringer wird, können der Energieverlust und die Wärmeentwicklung bei der Leitung deutlich reduziert werden.

2)Gute Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist dreimal so hoch wie die von Silizium. Bei der Hochleistungsanwendung ist die Heizung der „Top-Killer“. SiC-Geräte können die Wärme selbst schneller ableiten, um einen stabilen Betrieb des Systems bei höherer Leistungsdichte zu ermöglichen oder das Wärmeableitungssystem zu vereinfachen.

3) Arbeitskapazität bei hohen Temperaturen

Die Arbeitstemperatur von Siliziumbauelementen liegt typischerweise unter 175 °C, während SiC-Bauelemente stabil bei über 200 °C arbeiten können. Dies macht es zuverlässiger in Hochtemperatur- und rauen Umgebungen, wie z. B. in elektronischen Systemen, die sich in der Nähe des Automotors befinden.

3.Galliumnitrid: der Geschwindigkeitspionier auf der Hochfrequenzstrecke

Der Hauptvorteil von GaN liegt in der Hochfrequenz. Es glänzt in zwei Bereichen:

Hochfrequenz-Leistungselektronik (Schnellladen): die derzeit am weitesten verbreitete Anwendung, die uns den Einsatz kompakter und hocheffizienter GaN-Schnellladegeräte ermöglicht.

HF-Frontend: Leistungsverstärker in 5G-Kommunikationsbasisstationen und Radarsystemen in der Verteidigungsindustrie.

Warum GaN der König der Hochfrequenzleistung ist

1)Extrem hohe Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeit: Elektronen bewegen sich in GaN-Materialien extrem schnell, was bedeutet, dass Transistoren extrem hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichen können. Bei Schaltnetzteilen ermöglichen höhere Schaltfrequenzen die Verwendung kleinerer und leichterer Kondensatoren und Induktivitäten und ermöglichen so eine Miniaturisierung des Ladegeräts.

Der Siliziumprozess ist seit mehr als einem halben Jahrhundert das Ergebnis der gesamten menschlichen Industriezivilisation. Von der Reinigung über das Ziehen von Kristallen bis hin zur Fotolithographie und Ätzung hat es ausgereifte und riesige Industrieketten gebildet, um hochwertige Kristalle in erstaunlicher Größenordnung und zu extrem niedrigen Kosten herzustellen.

3) Größere Bandlücke: Ähnlich wie Siliziumkarbid verfügt auch GaN über eine große Bandlücke, wodurch es beständig gegen hohe Temperaturen und hohe Spannungen und robuster als Silizium ist.