Silicio, carburo di silicio e nitruro di gallio

Dietro i prodotti digitali di uso comune, i veicoli elettrici ad alta tecnologia e le stazioni base 5G, ci sono 3 materiali semiconduttori principali: silicio, carburo di silicio e nitruro di gallio che guidano il settore. Non sono alternativi l’uno all’altro, sono gli esperti di una squadra e hanno uno sforzo insostituibile su diversi campi di battaglia. Comprendendo la loro divisione del lavoro, possiamo vedere l'albero di sviluppo della moderna industria elettronica.

1.Silicio: La base dei circuiti integrati

Il silicio è senza dubbio il re dei semiconduttori, domina l'intero campo dell'informatica altamente integrata e complessa. La CPU del computer, il SoC mobile, i processori grafici, la memoria, la memoria flash e vari microcontrollori e chip logici digitali, quasi tutti sono costruiti su base di silicio.

Perché il silicio domina questo campo

1) Eccellente laurea integrata

Il silicio ha ottime proprietà del materiale, può formare una perfetta pellicola isolante SiO2 sulla superficie attraverso il processo di ossidazione termica. Questa proprietà è la base per costruire transistor CMOS, integrando miliardi o addirittura dieci miliardi di transistor su un piccolo pezzo di chip, per ottenere funzioni logistiche estremamente complesse.

2)Processo maturo e basso costo

Attraverso uno sviluppo di oltre mezzo secolo, il processo del silicio è il risultato dell'intera civiltà industriale umana. Dalla purificazione, all'estrazione dei cristalli, alla fotolitografia, all'incisione, si è formata una catena industriale matura ed enorme, per produrre cristalli di alta qualità con dimensioni sorprendenti e costi estremamente bassi.

3)Buon equilibrio

Il silicio raggiunge il miglior equilibrio tra conduttività, velocità di commutazione, costi di produzione e prestazioni termiche. Anche se potrebbe non eguagliare le prestazioni del suo materiale iniziale in termini di prestazioni estreme, è perfettamente adeguato e la scelta più economica per gestire segnali digitali complessi e operazioni logiche.

2.Carburo di silicio: La base dei circuiti integrati

Il SiC è il materiale rivoluzionario nel campo dell'alta tensione e alta potenza. Viene utilizzato principalmente nei "dispositivi di potenza" per la conversione e il controllo della potenza. Come inverter principale, caricabatterie di bordo, convertitore DC-DC nei veicoli a nuova energia; stazioni di conversione di reti intelligenti, azionamenti di motori industriali e trasporto ferroviario nell'industria e nella rete elettrica; inverter fotovoltaici e convertitori eolici nel settore della produzione di nuova energia.

Perché il SiC è adatto per applicazioni ad alta tensione

1) Intensità del campo elettrico di rottura estremamente elevata

L'intensità del campo elettrico di rottura del SiC è 10 volte superiore a quella del silicio. Significa fabbricare lo stesso dispositivo di tenuta alla tensione, lo strato epitassiale di SiC può essere più sottile, la concentrazione di drogaggio può essere più elevata, per ridurre la resistenza in conduzione del dispositivo. Quando la resistenza diminuisce, la perdita di energia e la generazione di calore possono essere significativamente ridotte durante la conduzione.

2)Buona conduttività termica

La conduttività termica del SiC è 3 volte quella del silicio. Nelle applicazioni ad alta potenza, il riscaldamento è il “top killer”. Il dispositivo SiC può scaricare più rapidamente il riscaldamento stesso, per consentire il funzionamento stabile del sistema con una densità di potenza più elevata o semplificare il sistema di dissipazione del calore.

3)Capacità di lavoro ad alta temperatura

La temperatura di funzionamento del dispositivo al silicio è generalmente inferiore a 175°C, mentre il dispositivo al SiC può funzionare stabilmente a temperature superiori a 200°C. Ciò lo rende più affidabile in ambienti difficili e ad alta temperatura, come i sistemi elettronici situati vicino al motore dell'auto.

3.Nitruro di gallio: il pioniere della velocità sulla pista ad alta frequenza

Il vantaggio principale del GaN è l'alta frequenza. Brilla in due campi:

Elettronica di potenza ad alta frequenza (ricarica rapida): l'applicazione attualmente più diffusa, che ci consente di utilizzare caricabatterie rapidi GaN compatti e altamente efficienti.

Front-end RF: amplificatori di potenza nelle stazioni base di comunicazione 5G e nei sistemi radar nel settore della difesa.

Perché GaN è il re delle prestazioni ad alta frequenza

1)Velocità di deriva della saturazione degli elettroni estremamente elevata: gli elettroni si muovono estremamente velocemente nei materiali GaN, il che significa che i transistor possono raggiungere velocità di commutazione estremamente elevate. Per gli alimentatori a commutazione, frequenze di commutazione più elevate consentono l'uso di condensatori e induttori più piccoli e leggeri, consentendo così la miniaturizzazione del caricabatterie.

2) Transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT): come dettagliato nell'articolo precedente, l'interfaccia di eterogiunzione GaN-AlGaN può formare automaticamente un gas di elettroni bidimensionale (2DEG), con concentrazione e mobilità di elettroni estremamente elevate, con conseguente resistenza estremamente bassa. Ciò offre ai dispositivi GaN il duplice vantaggio di una bassa perdita di conduzione e di una bassa perdita di commutazione durante la commutazione ad alta velocità.

La conduttività termica del SiC è 3 volte quella del silicio. Nelle applicazioni ad alta potenza, il riscaldamento è il “top killer”. Il dispositivo SiC può scaricare più rapidamente il riscaldamento stesso, per consentire il funzionamento stabile del sistema con una densità di potenza più elevata o semplificare il sistema di dissipazione del calore.