Ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ thứ ba là gì?

Vật liệu bán dẫn có thể được phân loại thành ba thế hệ theo thứ tự thời gian. Thế hệ đầu tiên bao gồm các vật liệu nguyên tố phổ biến như Germanium và Silicon, được đặc trưng bởi chuyển đổi thuận tiện và thường được sử dụng trong các mạch tích hợp. Các chất bán dẫn hợp chất thế hệ thứ hai như gallium arsenide và indium photphua chủ yếu được sử dụng trong các vật liệu phát quang và truyền thông. Chất bán dẫn thế hệ thứ ba chủ yếu bao gồm các chất bán dẫn hỗn hợp nhưCarbide siliconvà gallium nitride, cũng như các yếu tố đặc biệt như kim cương. Với các đặc tính vật lý và hóa học tuyệt vời, các vật liệu cacbua silicon đang dần được áp dụng trong các lĩnh vực của các thiết bị năng lượng và tần số vô tuyến.

Các chất bán dẫn thế hệ thứ ba có điện áp chịu được tốt hơn và là vật liệu lý tưởng cho các thiết bị công suất cao. Các chất bán dẫn thế hệ thứ ba chủ yếu bao gồm các vật liệu silicon cacbua và gallium nitride. Chiều rộng bandgap của SIC là 3,2EV và GaN là 3,4EV, vượt xa chiều rộng Bandgap của Si ở mức 1.12EV. Bởi vì các chất bán dẫn thế hệ thứ ba thường có khoảng cách dải rộng hơn, chúng có điện áp và điện áp tốt hơn, và thường được sử dụng trong các thiết bị công suất cao. Trong số đó, silicon cacbua đã dần dần vào ứng dụng quy mô lớn. Trong lĩnh vực các thiết bị năng lượng, các điốt silicon cacbua và MOSFET đã bắt đầu ứng dụng thương mại.

Các thiết bị năng lượng được làm bằng cacbua silicon vì chất nền có nhiều lợi thế về hiệu suất so với các thiết bị năng lượng dựa trên silicon: (1) đặc tính điện áp cao mạnh hơn. Sức mạnh điện trường phân tích của cacbua silicon cao hơn mười lần so với silicon, khiến cho điện trở cao của các thiết bị cacbua silicon cao hơn đáng kể so với cùng một thiết bị silicon. (2) Đặc điểm nhiệt độ cao tốt hơn. Carbua silicon có độ dẫn nhiệt cao hơn silicon, giúp các thiết bị dễ dàng tiêu tan nhiệt và cho phép nhiệt độ hoạt động cao hơn cao hơn. Điện trở nhiệt độ cao có thể làm tăng đáng kể mật độ công suất trong khi giảm các yêu cầu cho hệ thống tản nhiệt, làm cho đầu cuối nhẹ hơn và nhỏ hơn. (3) Mất năng lượng thấp hơn. Carbide silicon có tốc độ trôi electron bão hòa gấp đôi so với silicon, làm cho các thiết bị cacbua silicon có độ kháng cự cực thấp và mất thấp. Carbide silicon có chiều rộng băng tần gấp ba lần so với silicon, làm giảm đáng kể dòng rò của các thiết bị cacbua silicon so với các thiết bị silicon, do đó làm giảm mất điện. Các thiết bị cacbua silicon không có đuôi dòng trong quá trình tắt, tổn thất chuyển mạch thấp và tăng đáng kể tần suất chuyển đổi trong các ứng dụng thực tế.

Theo dữ liệu có liên quan, độ phân giải của các MOSFE dựa trên silicon có cùng đặc điểm kỹ thuật là 1/200 so với MOSFET dựa trên silicon và kích thước của chúng là 1/10 so với các MOSFE dựa trên silicon. Đối với các bộ biến tần của cùng một đặc điểm kỹ thuật, tổng tổn thất năng lượng của hệ thống sử dụng MOSFET dựa trên cacbua silicon nhỏ hơn 1/4 so với sử dụng IgBT dựa trên silicon.

Theo sự khác biệt về tính chất điện, các chất nền cacbua silicon có thể được phân loại thành hai loại: chất nền cacbua silicon bán kết và chất nền cacbua silicon dẫn điện. Hai loại chất nền này, sauTăng trưởng epiticular, được sử dụng tương ứng để sản xuất các thiết bị riêng biệt như thiết bị nguồn và thiết bị tần số vô tuyến. Trong số đó, các chất nền silicon bán kết hợp chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các thiết bị gallium nitride RF, thiết bị quang điện tử, v.v. HEMT. Các chất nền silicon dẫn điện chủ yếu được sử dụng trong việc sản xuất các thiết bị năng lượng. Không giống như quá trình sản xuất truyền thống của các thiết bị năng lượng silicon, các thiết bị năng lượng cacbua silicon không thể được chế tạo trực tiếp trên các chất nền cacbua silicon. Thay vào đó, một lớp epiticular cacbua silicon cần được trồng trên chất nền dẫn điện để thu được wafer epiticular cacbua silicon, và sau đó là các điốt Schottky, MOSFET, IGBT và các thiết bị năng lượng khác có thể được sản xuất trên lớp epiticular.