Tại sao các chất bán dẫn thế hệ thứ ba lại rất phổ biến? 4 hình ảnh để ngay lập tức hiểu các công nghệ chính GaN và SiC.

Các chất bán dẫn thế hệ thứ ba hiện là chủ đề nóng nhất trong lĩnh vực công nghệ cao, đóng một vai trò không thể thiếu trong sự phát triển của 5G, xe điện, năng lượng tái tạo và Công nghiệp 4.0Mặc dù chúng ta thường nghe về những phát triển này, nhưng nhiều người vẫn chỉ có một sự hiểu biết mơ hồ về chúng. Vậy, chất bán dẫn thế hệ thứ ba chính xác là gì?chúng tôi sẽ cung cấp quan điểm đơn giản và toàn diện nhất để giúp bạn hiểu được công nghệ quan trọng này đang chuẩn bị định hình tương lai của ngành công nghiệp công nghệ.

Chiếc bán dẫn thế hệ thứ ba và băng tần rộng là gì?

Khi chúng ta nói về các chất bán dẫn thế hệ thứ ba, hãy giới thiệu ngắn gọn về thế hệ thứ nhất và thứ hai.bán dẫn thế hệ đầu tiên là silicon (Si), và chất bán dẫn thế hệ thứ hai là gallium arsenide (GaAs)." WBG) bao gồm silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN).

"Bandgap" trong các chất bán dẫn băng tần rộng đại diện cho "khoảng cách năng lượng cần thiết cho một chất bán dẫn để chuyển từ trạng thái cách nhiệt sang trạng thái dẫn điện".

Silicon và gallium arsenide, như các chất bán dẫn thế hệ thứ nhất và thứ hai, có khoảng cách băng tần thấp, với giá trị lần lượt là 1,12 eV và 1,43 eV. Ngược lại,các băng tần của các chất bán dẫn thế hệ thứ ba (bandgap rộng) SiC và GaN là 3Do đó, khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, áp suất hoặc dòng điện,Các chất bán dẫn thế hệ thứ ba ít có khả năng chuyển từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện so với thế hệ đầu tiên và thứ haiChúng thể hiện các đặc điểm ổn định hơn và khả năng chuyển đổi năng lượng tốt hơn.

Những quan niệm sai lầm phổ biến về các chất bán dẫn thế hệ thứ ba

Với sự ra đời của 5G và thời đại xe điện, nhu cầu về tần số cao, tính toán tốc độ cao và sạc nhanh đã tăng lên.Silicon và gallium arsenide đã đạt đến giới hạn nhiệt độ của chúng.Hơn nữa, khi nhiệt độ hoạt động vượt quá 100 độ C, hai thế hệ sản phẩm đầu tiên dễ bị hỏng hơn,làm cho chúng không phù hợp với môi trường khắc nghiệtVới sự tập trung toàn cầu vào khí thải carbon, hiệu quả cao, tiêu thụ năng lượng thấp của thế hệ thứ ba bán dẫn đã trở thành những yêu thích mới của thời đại.

Các chất bán dẫn thế hệ thứ ba có thể duy trì hiệu suất và độ ổn định tuyệt vời ngay cả ở tần số cao.và phân tán nhiệt nhanhKhi kích thước chip được giảm đáng kể, chúng giúp đơn giản hóa thiết kế mạch ngoại vi, do đó giảm khối lượng các mô-đun và hệ thống làm mát.

Nhiều người sai lầm tin rằng các chất bán dẫn thế hệ thứ ba được tích lũy từ những tiến bộ công nghệ của thế hệ thứ nhất và thứ hai, nhưng điều này không hoàn toàn đúng.Như thấy trong sơ đồ, ba thế hệ bán dẫn này đang phát triển công nghệ song song.

SiC và GaN đều có lợi thế riêng và các lĩnh vực phát triển khác nhau.

Sau khi hiểu được sự khác biệt giữa ba thế hệ đầu tiên của chất bán dẫn, chúng ta sẽ tập trung vào các vật liệu của thế hệ thứ ba của chất bán dẫn - SiC và GaN.Hai vật liệu này có các lĩnh vực ứng dụng hơi khác nhauHiện nay, các thành phần GaN thường được sử dụng trong các lĩnh vực có điện áp dưới 900V, chẳng hạn như bộ sạc, trạm cơ sở và các sản phẩm tần số cao khác liên quan đến truyền thông 5G; SiC,mặt khác, được sử dụng trong các ứng dụng với điện áp lớn hơn 1200V, chẳng hạn như xe điện.

SiC bao gồm silicon (Si) và carbon (C), có liên kết mạnh và ổn định về nhiệt, hóa học và cơ học.SiC phù hợp cho các ứng dụng điện áp cao và dòng điện cao, chẳng hạn như xe điện, cơ sở hạ tầng sạc xe điện, thiết bị sản xuất năng lượng mặt trời và gió ngoài khơi.

Hơn nữa, chính SiC sử dụng công nghệ "homogeneous epitaxy", vì vậy nó có chất lượng tốt và độ tin cậy cao của các thành phần.,vì nó là một thiết bị dọc, nó có mật độ năng lượng cao.

Hiện tại, hệ thống điện của xe điện chủ yếu hoạt động giữa 200V và 450V, và các mô hình cao cấp sẽ di chuyển đến 800V trong tương lai, làm cho nó trở thành thị trường chính cho SiC.Sản xuất wafer SiC là khó khăn, với các yêu cầu cao cho tinh thể nguồn của tinh thể dài, không dễ dàng có được.khó khăn của công nghệ tinh thể dài có nghĩa là sản xuất quy mô lớn vẫn không khả thi hiện nay, sẽ được giải thích chi tiết hơn sau.

GaN là một thành phần bên mà phát triển trên các chất nền khác nhau, chẳng hạn như chất nền SiC hoặc Si, sử dụng công nghệ "epitaxy đa dạng".Các phim mỏng GaN được sản xuất bằng phương pháp này có chất lượng tương đối kémMặc dù hiện nay chúng được sử dụng trong các lĩnh vực tiêu dùng như sạc nhanh, nhưng có một số nghi ngờ về việc sử dụng chúng trong xe điện hoặc các ứng dụng công nghiệp.cũng là một hướng mà các nhà sản xuất đang háo hức phá vỡ.

Các lĩnh vực ứng dụng của GaN bao gồm các thiết bị điện cao áp (Power) và các thành phần tần số cao (RF).trong khi các công nghệ thường được sử dụng như Bluetooth, Wi-Fi và định vị GPS là ví dụ về các thành phần tần số vô tuyến RF.

Về công nghệ chất nền, chi phí sản xuất chất nền GaN tương đối cao. Do đó, các thành phần GaN chủ yếu dựa trên chất nền silicon.Các thiết bị điện GaN hiện có trên thị trường được sản xuất bằng cách sử dụng hai loại wafer: GaN-on-Si (gallium nitride trên silicon) và GaN-on-SiC (gallium nitride trên silicon carbide).

Các ứng dụng công nghệ quy trình GaN thường được nghe, chẳng hạn như các thiết bị tần số vô tuyến GaN RF và PowerGaN, có nguồn gốc từ công nghệ nền GaN-on-Si.do những khó khăn trong sản xuất chất nền silicon carbide (SiC), công nghệ chủ yếu được kiểm soát bởi một số nhà sản xuất quốc tế, chẳng hạn như Cree và II-VI ở Hoa Kỳ và ROHM Semiconductor.