4 صور لفهم فوري لتكنولوجيات GaN و SiC الرئيسية

يعد نصف الموصلات من الجيل الثالث حاليًا أكثر المواضيع سخونة في مجال التكنولوجيا العالية ، حيث يلعب دورًا لا غنى عنه في تطوير 5G والمركبات الكهربائية والطاقة المتجددة والصناعة 4.0على الرغم من أننا كثيرا ما نسمع عن هذه التطورات، والكثير من الناس لا يزال لديهم فقط فهم غامض لهم.سوف نقدم لكم أكثر منظور واضح وشامل لمساعدتكم على فهم هذه التكنولوجيا الرئيسية التي على وشك تشكيل مستقبل صناعة التكنولوجيا.

ما هو الجيل الثالث من أشباه الموصلات و الفجوة العريضة؟

عندما نتحدث عن الجيل الثالث من أشباه الموصلات، دعونا أولاً نقدم بشكل مختصر الجيل الأول والثاني. في مجال مواد أشباه الموصلات،نصف الموصل من الجيل الأول هو السيليكون (Si)، والجيل الثاني من أشباه الموصلات هو آرسنيد الغاليوم (GaAs)." WBG) يشمل كربيد السيليكون (SiC) و نتريد الغاليوم (GaN).

"الفجوة في النطاق" في أشباه الموصلات واسعة النطاق تمثل "فجوة الطاقة المطلوبة لنصف الموصل للانتقال من الحالات العازلة إلى الحالات الموصلة".

السيليكون و أرسينيد الغاليوم ، كأشباه الموصلات من الجيل الأول والثاني ، لديهم فجوات واسعة ، بقيم 1.12 eV و 1.43 eV ، على التوالي.الفجوات النطاقية للجيل الثالث (الفجوة النطاقية الواسعة) من أشباه الموصلات SiC و GaN هي 3.2eV و 3.4eV على التوالي لذلك عندما يتعرض لدرجات حرارة عالية أو ضغوط أو تياراتأشباه الموصلات من الجيل الثالث أقل عرضة للانتقال من الحالات العازلة إلى الحالات الموصلة مقارنة بالجيل الأول والثانيفهي تظهر خصائص أكثر استقرارا وقدرات تحويل الطاقة أفضل.

المفاهيم الخاطئة الشائعة حول أشباه الموصلات من الجيل الثالث

مع ظهور عصر الجيل الخامس والمركبات الكهربائية، ازداد الطلب على الحوسبة عالية التردد والسرعة العالية والشحن السريع.السيليكون و غاليوم آرسنيد قد وصلوا إلى حدودهم من حيث درجة الحرارة، التردد، والطاقة، مما يجعل من الصعب زيادة الطاقة والسرعة. وعلاوة على ذلك، عندما درجات حرارة التشغيل تتجاوز 100 درجة، أول جيلين من المنتجات أكثر عرضة للفشل،مما يجعلهم غير مناسبين للبيئات القاسيةمع التركيز العالمي على انبعاثات الكربون، عالية الكفاءة، استهلاك طاقة منخفضة

يمكن أن تحتفظ أجهزة أشباه الموصلات من الجيل الثالث بأداء واستقرار ممتاز حتى في الترددات العالية. كما أنها تمتلك خصائص مثل سرعة التبديل السريعة ، والحجم الصغير ،وتبديد الحرارة بسرعةعندما يتم تقليل أحجام الشريحة إلى حد كبير، فإنها تساعد على تبسيط تصميم الدوائر الطرفية، وبالتالي تقليل حجم الوحدات وأنظمة التبريد.

يعتقد الكثير من الناس خطأً أن أجهزة أشباه الموصلات من الجيل الثالث تتراكم من التقدم التكنولوجي للجيل الأول والثاني، لكن هذا ليس صحيحاً تماماً.كما هو مبين في الرسم البياني، هذه الأجيال الثلاث من أشباه الموصلات هي في الواقع تطوير التقنيات بالتوازي.

لكل من SiC و GaN مزاياه ومجالات التنمية المختلفة.

بعد فهم الاختلافات بين الأجيال الثلاثة الأولى من أشباه الموصلات، سنركز بعد ذلك على مواد الجيل الثالث من أشباه الموصلات - SiC و GaN.هذه المواد اثنين لها مجالات تطبيق مختلفة قليلافي الوقت الحالي ، يتم استخدام مكونات GaN بشكل شائع في المجالات ذات الجهد أقل من 900 فولت ، مثل الشواحن والمحطات الأساسية وغيرها من المنتجات عالية التردد المتعلقة بتواصلات 5G ؛ SiC ،من ناحية أخرى، تستخدم في التطبيقات ذات الجهد أعلى من 1200 فولت، مثل المركبات الكهربائية.

يتكون SiC من السيليكون (Si) والكربون (C) ، مع ربط قوي واستقرار من حيث الحرارة والكيمياء والميكانيكا. بسبب خسارته المنخفضة وخصائص الطاقة العالية ،السيك مناسب لتطبيقات الجهد العالي والتيار العالي، مثل السيارات الكهربائية، والبنية التحتية لشحن السيارات الكهربائية، ومعدات توليد الطاقة الشمسية والرياح البحرية.

وبالإضافة إلى ذلك، يستخدم سي سي نفسه تكنولوجيا "التمثيل المتجانس"، لذلك لديه نوعية جيدة وموثوقية عالية للمكونات. هذا هو أيضا السبب الرئيسي الذي يجعل السيارات الكهربائية تختار استخدامه.,لأنه جهاز عمودي، لديه كثافة طاقة عالية.

في الوقت الحالي، يعمل نظام الطاقة للسيارات الكهربائية بشكل رئيسي بين 200 فولت و 450 فولت، وستنتقل النماذج المتقدمة إلى 800 فولت في المستقبل، مما يجعلها السوق الرئيسية لـ SiC.صناعة رقائق سي سي صعبة، مع متطلبات عالية لبلور المصدر من بلور طويل، والتي لا يمكن الحصول عليها بسهولة.صعوبة تكنولوجيا الكريستال الطويل تعني أن الإنتاج على نطاق واسع لا يزال غير ممكن في الوقت الحاضر، والتي سيتم توضيحها لاحقاً.

غان هو مكون جانبي ينمو على أسس مختلفة ، مثل أسس SiC أو Si ، باستخدام تكنولوجيا "التمثيل غير المتجانس".الأفلام الرقيقة GaN المنتجة بهذه الطريقة ذات جودة سيئة نسبياعلى الرغم من أنها تستخدم حاليًا في مجالات المستهلك مثل الشحن السريع ، هناك بعض الشكوك حول استخدامها في المركبات الكهربائية أو التطبيقات الصناعية ،والذي هو أيضا اتجاه أن الشركات المصنعة حريصة على اختراق من خلال.

مجالات تطبيق GaN تشمل أجهزة طاقة عالية الجهد (Power) ومكونات عالية التردد (RF). غالبًا ما يتم استخدام الطاقة كمحولات طاقة ومصححات ،بينما تستخدم التقنيات الشائعة مثل بلوتوث، واي فاي، وتحديد المواقع جي بي إس هي أمثلة على مكونات ترددات الراديو اللاسلكية.

من حيث تكنولوجيا الركيزة ، فإن تكلفة إنتاج الركيزة GaN مرتفعة نسبيًا. لذلك ، تستند مكونات GaN في الغالب إلى الركيزة السيليكونية.يتم تصنيع أجهزة طاقة GaN المتاحة حاليًا في السوق باستخدام نوعين من رقائق: GaN-on-Si (نتريد الغاليوم على السيليكون) و GaN-on-SiC (نتريد الغاليوم على كربيد السيليكون).

تطبيقات تكنولوجيا عملية GaN الشائعة ، مثل أجهزة ترددات الراديو RF GaN و PowerGaN ، مشتقة من تكنولوجيا الغلاف GaN-on-Si.بسبب الصعوبات في تصنيع رصيفات كربيد السيليكون (SiC)، يتم التحكم في التكنولوجيا بشكل رئيسي من قبل عدد قليل من الشركات المصنعة الدولية ، مثل كري و II-VI في الولايات المتحدة ، و ROHM Semiconductor.