실리콘, 실리콘 카바이드 및 갈륨 질화물

일반적으로 사용되는 디지털 제품과 첨단 전기 자동차, 5G 기지국 뒤에는 실리콘, 실리콘 카바이드, 질화갈륨이라는 3가지 핵심 반도체 소재가 산업을 주도하고 있습니다. 그들은 서로를 위한 대안이 아니며, 팀의 전문가이며, 다양한 전장에서 대체할 수 없는 노력을 가지고 있습니다. 이들의 분업을 이해하면 현대 전자산업의 발전계통을 볼 수 있다.

1.규소: 집적회로의 초석

실리콘은 의심할 여지 없이 반도체의 왕이며 고도로 통합되고 복잡한 컴퓨팅의 모든 분야를 지배합니다. 컴퓨터 CPU, 모바일 SoC, 그래픽 프로세서, 메모리, 플래시 메모리, 다양한 마이크로컨트롤러 및 디지털 로직 칩 등 거의 모두 실리콘 기반으로 구축됩니다.

실리콘이 이 분야를 지배하는 이유

1)우수한 통합학위

실리콘은 우수한 재료 특성을 갖고 있어 열산화 공정을 통해 표면에 완벽한 SiO2 절연막을 성장시킬 수 있습니다. 이 속성은 작은 칩 조각에 수십억, 심지어 수백억 개의 트랜지스터를 통합하여 극도로 복잡한 물류 기능을 달성하는 CMOS 트랜지스터를 구축하는 기반입니다.

2)성숙한 공정과 저렴한 비용

반세기가 넘는 발전을 통해 실리콘의 생산 과정은 인류 산업 문명 전체의 산물입니다. 정제, 결정 풀링, 포토리소그래피, 에칭에 이르기까지 성숙하고 거대한 산업 체인을 형성하여 놀라운 규모와 매우 저렴한 비용으로 고품질 결정을 생산해 왔습니다.

3)좋은 균형

실리콘은 전도성, 스위칭 속도, 제조 비용 및 열 성능 간의 최상의 균형을 달성합니다. 극한의 성능에서는 신생 자료의 성능과 일치하지 않을 수 있지만 복잡한 디지털 신호 및 논리 작업을 처리하는 데 완벽하게 적합하고 가장 경제적인 선택입니다.

2.실리콘 카바이드: 고전압 전장의 파워 가디언

SiC는 고전압, 고전력 분야의 혁명적인 소재입니다. 주로 전력 변환 및 제어를 위한 "전력 장치"에 사용됩니다. 메인 드라이브 인버터, 온보드 충전기, 신에너지 차량의 DC-DC 컨버터 등; 산업 및 전력망의 스마트 그리드 변환기 스테이션, 산업용 모터 드라이브 및 철도 운송; 신에너지 발전 산업의 태양광 인버터 및 풍력 변환기.

SiC가 고전압 애플리케이션에 적합한 이유

1)매우 높은 항복 전계 강도

SiC의 항복전계 강도는 실리콘보다 10배 더 높습니다. 이는 동일한 내전압 장치를 제조한다는 의미이며, SiC의 에피택셜 층은 더 얇고 도핑 농도는 더 높을 수 있어 장치의 온저항을 줄일 수 있습니다. 저항이 낮아지면 전도 시 에너지 손실과 발열을 크게 줄일 수 있습니다.

2) 좋은 열전도율

SiC의 열전도율은 실리콘의 3배입니다. 고전력 애플리케이션에서 가열은 "최고의 킬러"입니다. SiC 장치는 발열 자체를 보다 신속하게 배출하여 더 높은 전력 밀도에서 시스템이 안정적으로 작동하도록 하거나 열 방출 시스템을 단순화할 수 있습니다.

3)고온 작업 능력

실리콘 장치의 작동 온도는 일반적으로 175°C 미만인 반면 SiC 장치는 200°C 이상에서 안정적으로 작동할 수 있습니다. 이를 통해 자동차 엔진 가까이에 위치한 전자 시스템과 같이 고온 및 열악한 환경에서 더욱 안정적으로 작동할 수 있습니다.

3.질화갈륨: 고주파 트랙의 속도 개척자

GaN의 핵심 장점은 고주파수에 있습니다. 두 가지 분야에서 빛을 발합니다.

고주파 전력 전자 장치(고속 충전): 현재 가장 널리 사용되는 애플리케이션으로 소형의 고효율 GaN 고속 충전기를 사용할 수 있습니다.

RF 프런트엔드: 5G 통신 기지국의 전력 증폭기 및 방위산업 레이더 시스템.

GaN이 고주파 성능의 왕인 이유

1)매우 높은 전자 포화 드리프트 속도: 전자는 GaN 재료에서 매우 빠르게 이동합니다. 이는 트랜지스터가 매우 높은 스위칭 속도를 달성할 수 있음을 의미합니다. 스위칭 전원 공급 장치의 경우 스위칭 주파수가 높을수록 더 작고 가벼운 커패시터와 인덕터를 사용할 수 있으므로 충전기의 소형화가 가능합니다.

2)고전자 이동도 트랜지스터(HEMT): 이전 기사에서 자세히 설명했듯이 GaN-AlGaN 이종접합 인터페이스는 자동으로 2차원 전자 가스(2DEG)를 형성할 수 있으며 전자 농도와 이동도가 매우 높아 온 저항이 매우 낮습니다. 이는 GaN 장치에 고속 스위칭 시 낮은 전도 손실과 낮은 스위칭 손실이라는 두 가지 이점을 제공합니다.

3) 더 넓은 밴드갭: 탄화규소와 마찬가지로 GaN도 밴드갭이 넓어 고온, 고전압에 강하고 실리콘보다 견고합니다.