Erityinen tutkimusraportti piikarbiditeollisuudesta: uusien energia-ajoneuvojen ja aurinkosähkökäyttöjen teollisuuden kasvu(1)

Erityinen tutkimusraportti piikarbiditeollisuudesta: uusien energia-ajoneuvojen ja aurinkosähkökäyttöjen teollisuuden kasvu(1)

1. SiC:llä on erinomaiset sähköiset ominaisuudet, ja siitä odotetaan muodostuvan yksi lupaavimpia puolijohdemateriaaleja

Puolijohdemateriaalien kehitys on käynyt läpi kolme vaihetta. Tavallisia puolijohdemateriaaleja ovat pii (Ja), germanium (Ge) ja muut elementtipuolijohteet ja yhdistepuolijohdemateriaalit, kuten galliumarsenidi (GaAs), piikarbidi (SiC), galliumnitridi (GaN). Tutkimuksen ja laajamittaisen soveltamisen aikajaksosta, edellä mainitut puolijohdemateriaalit jaetaan teollisuudessa yleensä kolmeen sukupolveen.

Ensimmäisen sukupolven puolijohdemateriaaleja on käytetty laajalti 1950-luvulta lähtien, edustaa pii (Ja) ja germanium (Ge). Tällaisten materiaalien teollinen ketju on suhteellisen kypsä, täydet tekniset varat ja alhaiset tuotantokustannukset. Nykyisessä, niitä käytetään pääasiassa suuren mittakaavan integroiduissa piireissä, mukaan lukien matalajännite, matala taajuus, pienitehoiset transistorit ja ilmaisimet.

Piipohjaiset puolijohdemateriaalit ovat tällä hetkellä suurin tuotanto ja eniten käytetyt puolijohdemateriaalit, ja enemmän kuin 90% puolijohdetuotteet on valmistettu piipohjaisista materiaaleista.

Toisen sukupolven puolijohdemateriaaleja on käytetty laajalti 1990-luvulta lähtien, jota edustaa galliumarsenidi (GaAs) ja indiumfosfidi (P-kirjaimessa). Puolijohdeteollisuuden kehittyessä, piimateriaalin fyysinen pullonkaula on yhä enemmän esiin nousemassa, ja sen fysikaaliset ominaisuudet rajoittavat sen käyttöä optoelektroniikassa ja suurtaajuisissa suurteholaitteissa. Toisen sukupolven puolijohdemateriaalien fysikaalisessa rakenteessa on suora kaistaväli.

Verrattuna silikonipohjaisiin materiaaleihin, niillä on hyvä valosähköinen suorituskyky, korkea toimintataajuus, korkean lämpötilan ja säteilyn kestävyys. Ne soveltuvat nopeaan valmistukseen, korkeataajuus, suuritehoiset ja valoa lähettävät elektroniset laitteet. Ne ovat erinomaisia ​​materiaaleja korkean suorituskyvyn mikroaaltouunien valmistamiseen, millimetriaaltolaitteet ja valoa lähettävät laitteet, ja niitä käytetään laajalti matkaviestinnässä, satelliittiviestintä, optinen viestintä, GPS-navigointi ja muut kentät.

Kolmannen sukupolven puolijohde on yhdistepuolijohde, jota edustaa galliumnitridi (GaN) ja piikarbidi (SiC). Tämän tyyppisen puolijohdemateriaalin kaistan leveys on suurempi tai yhtä suuri kuin 2,3 eV, joten sitä kutsutaan myös laajakaistaiseksi puolijohdemateriaaliksi. Kolmannen sukupolven puolijohteella on merkittäviä etuja avainparametreissa, kuten kaistan leveys, rikkoutunut sähkökenttä, lämmönjohtokyky, elektroninen kylläisyysaste, ja säteilynkestävyys, nykyaikaisen teollisuuden suuren tehon tarpeisiin, korkea jännite, ja korkea taajuus.

Siksi, kolmannen sukupolven puolijohteita käytetään pääasiassa suurten nopeuksien valmistukseen, korkeataajuus, suuritehoiset ja valoa lähettävät elektroniset komponentit. Loppupään sovelluksiin kuuluu älyverkko, uusia energiaajoneuvoja, aurinkosähkö tuulivoima, 5G viestintä, jne.

Johdatus SiC-materiaaleihin. SiC on epäorgaaninen aine, jonka kemiallinen kaava on piikarbidi. Se on valmistettu kvartsihiekasta, öljykoksi (tai hiilikoksia), puulastut (suolaa tarvitaan vihreän piikarbidin tuottamiseen) ja muut raaka-aineet sulattamalla vastusuunissa korkeassa lämpötilassa.

Piikarbidia esiintyy myös luonnossa harvinaisena mineraalina, mulliitti. C:n joukossa, N, B ja muut oksidittomat korkean teknologian tulenkestävät materiaalit, SiC on yleisimmin käytetty ja taloudellisin, jota voidaan kutsua hioma- tai tulenkestäväksi hiekkaksi. SiC:stä odotetaan muodostuvan yksi lupaavimmista materiaaleista puolijohdemateriaalien alalla.

Verrattuna piilaitteisiin, piikarbidiin perustuvilla teholaitteilla on sähköisiä ominaisuuksia, kuten korkea jännitevastus, korkea lämmönkestävyys ja pieni energiahäviö, ja ovat yksi lupaavimmista puolijohdemateriaaleista. SiC:n erinomaiset sähköiset ominaisuudet sisältävät seuraavat näkökohdat:

1 Korkea jännitevastus. Koska läpimurto sähkökentän voimakkuus SiC on enemmän kuin 10 kertaa piin, SiC:llä valmistettu laite voi parantaa jännitteenkestokykyä entisestään, toimintataajuus ja virrantiheys, ja vähentää merkittävästi laitteen johtavuushäviötä.

2 Korkean lämpötilan kestävyys. Mitä suurempi kaistaväli on, sitä korkeampi laitteen rajoittava käyttölämpötila on. Koska piikarbidin kaistaväli on lähes kolme kertaa piin kaistaväli, SiC:n rajoittava käyttölämpötila on merkittävästi korkeampi kuin piin, joka voi saavuttaa enemmän kuin 600 ℃. Samaan aikaan, SiC:n lämmönjohtavuus on korkeampi kuin piin, mikä auttaa vähentämään jäähdytysjärjestelmän vaatimuksia ja tekemään terminaalista kevyemmän ja pienemmän.

3 Pieni energiahäviö. SiC:llä on kaksinkertainen tyydyttyneiden elektronien ajautuminen piin nopeus. Piihin verrattuna, SiC:llä on erittäin alhainen resistanssi ja pieni häviö; Samaan aikaan, SiC:llä on melkein 3 kertaa piin raon leveys, ja vuotovirta on huomattavasti pienempi verrattuna piilaitteisiin, mikä voi edelleen vähentää tehohäviötä; Lisäksi, SiC-laitteissa ei ole virran loppumista sammutusprosessin aikana, ja kytkentähäviö on pieni, mikä parantaa huomattavasti kytkentätaajuutta käytännön sovelluksissa.

Yleisesti, SiC:llä on erinomaiset ominaisuudet, kuten korkea paineenkesto, korkea lämmönkestävyys ja pieni energiahäviö, jotka voivat täyttää tehoelektroniikkatekniikan uudet korkean lämpötilan vaatimukset, korkeajännite, korkea jännite, korkeataajuus, säteilynkestävyys ja muut ankarat työolosuhteet, ja siitä odotetaan muodostuvan yksi lupaavimmista materiaaleista puolijohdemateriaalien alalla.