Nová technológia materiálov zvyšuje výkon polovodičov

Druhy a vlastnosti nových materiálov
Karbid kremíka (SiC)
Karbid kremíka, ako polovodičový materiál so širokým pásmom, má šírku pásma približne 3,3 elektrónvoltov (eV), čo je oveľa viac ako 1,1 elektrónvoltov tradičného kremíka (Si). Vďaka tomu má karbid kremíka vyššiu tepelnú vodivosť a prúdovú zaťažiteľnosť, vďaka čomu je obzvlášť vhodný pre scenáre aplikácií s vysokou teplotou, vysokým tlakom a vysokou frekvenciou.

V oblasti výkonovej elektroniky môžu SiC zariadenia efektívne zlepšiť účinnosť systému a znížiť energetické straty. Napríklad SiC MOSFET sa široko používa pri riadení napájania a motorovom pohone elektrických vozidiel, pričom jeho nízky odpor a vysoká spínacia frekvencia výrazne zlepšujú dojazd elektrických vozidiel.

nitrid gália (GaN)
Nitrid gália je ďalší široko študovaný polovodičový materiál so širokým pásmovým odstupom so šírkou pásma približne 3,4 elektrónvoltov. GaN má vynikajúci vysokofrekvenčný výkon a nízku vodivosť, vďaka čomu je vhodný pre vysokofrekvenčné a vysokovýkonné aplikácie. Zariadenia GaN preukázali výhody oproti tradičným kremíkovým zariadeniam v RF výkonových zosilňovačoch a spínaných zdrojoch napájania.

Najmä v komunikačných zariadeniach 5G môže materiál GaN podporovať vyššie prevádzkové frekvencie a väčší výstupný výkon, čím sa stáva jedným z dôležitých materiálov na podporu výstavby infraštruktúry 5G. Okrem toho vysoká účinnosť GaN tiež podporila vývoj technológie bezdrôtového nabíjania, čo z neho robí potenciálny materiál pre budúci prenos energie.

2D materiály
V posledných rokoch pritiahli veľkú pozornosť v oblasti polovodičov dvojrozmerné materiály, ako je grafén a disulfidy prechodných kovov (ako MoS ₂). Grafén má extrémne vysokú mobilitu elektrónov a tepelnú vodivosť, čo z neho robí ideálny materiál pre vysokofrekvenčné a vysokorýchlostné elektronické zariadenia.

Aj keď dvojrozmerné materiály stále čelia výzvam vo výrobných procesoch, ich potenciál v flexibilných elektronických zariadeniach s nízkou spotrebou energie nemožno ignorovať. Napríklad tranzistory s efektom poľa (FET) na báze MoS ₂ sa považujú za kľúčový komponent budúcich flexibilných elektronických zariadení, ktoré dokážu dosiahnuť ľahkú konštrukciu pri zachovaní vysokého výkonu.

Aplikácia novej materiálovej technológie
elektrické vozidlo
Popularizácia elektrických vozidiel kladie vyššie požiadavky na polovodičové materiály. Aplikácia materiálov SiC a GaN zefektívňuje energetický systém elektrických vozidiel. Diódy z karbidu kremíka a MOSFETy dokážu vydržať vyššie napätie a teploty, čím sa znižujú straty pri nabíjaní, obnove energie a prenose energie.

Napríklad mnohí výrobcovia elektrických vozidiel začali používať technológiu SiC, aby nahradili tradičné kremíkové zariadenia a zlepšili účinnosť premeny energie elektrických vozidiel. To nielen zlepšuje výdrž vozidla, ale aj skracuje čas nabíjania batérie.

5G komunikácia
Rýchly vývoj technológie 5G vyvolal dopyt po vysokovýkonných polovodičových materiáloch. Zariadenia z nitridu gália sa stali preferovaným materiálom pre základňové stanice a koncové zariadenia 5G vďaka ich vynikajúcemu vysokofrekvenčnému výkonu. Vysoká energetická charakteristika GaN mu umožňuje zvládnuť väčšiu dátovú prevádzku, čím poskytuje vyššiu prenosovú rýchlosť a nižšiu latenciu pre 5G siete.

Medzitým, s rozsiahlym nasadením zariadení 5G, sa neustále vyvíjajú aj súvisiace RF a mikrovlnné technológie. Aplikácia nových materiálov pomôže pri rozsiahlej výstavbe základňových staníc 5G, čím sa zlepší celková stabilita a pokrytie siete.

obnoviteľnej energie
Nové materiálové technológie zohrávajú dôležitú úlohu aj v oblasti obnoviteľných zdrojov energie. Výkonové elektronické zariadenia na báze karbidu kremíka sa široko používajú v solárnych invertoroch a systémoch na výrobu veternej energie, čím sa zlepšuje účinnosť premeny energie.

Prijatím technológie SiC môžu solárne invertory efektívnejšie premieňať jednosmerný prúd na striedavý prúd, čím sa výrazne znižujú energetické straty a podporuje sa širšie využitie obnoviteľnej energie. Okrem toho technológia nitridu gália tiež preukázala svoje výhody v systémoch správy batérií, čím sa zlepšila celková energetická účinnosť.

Budúci vývojový trend novej materiálovej technológie
Neustála inovácia materiálov
S neustálym pokrokom vedy a techniky budú inovácie v oblasti polovodičových materiálov pokračovať. V budúcnosti bude vyvinutých viac nových materiálov s vynikajúcim elektrickým výkonom a schopnosťami tepelného manažmentu. Tieto nové materiály uspokoja dopyt po zariadeniach s vyšším výkonom, najmä v aplikáciách s vysokým výkonom, vysokou frekvenciou a extrémnym prostredím.

Zlepšenie výrobného procesu
Aplikácia nových materiálov tiež kladie vyššie požiadavky na výrobné procesy. S rozvojom nových výrobných technológií, ako je 3D tlač a nanotechnológia, sa výrobný proces polovodičových zariadení stane rafinovanejším a inteligentnejším. To podporí rýchlu komercializáciu a aplikáciu nových materiálov.

Ochrana životného prostredia a trvalo udržateľný rozvoj
Rastúce globálne povedomie o životnom prostredí vyvolalo tlak na transformáciu polovodičového priemyslu. V budúcnosti sa vývoj polovodičových materiálov šetrných k životnému prostrediu stane trendom v tomto odvetví. Napríklad materiály šetrné k životnému prostrediu, ktoré nahrádzajú škodlivé látky, nielen pomáhajú zlepšovať výkon zariadenia, ale sú tiež v súlade s koncepciou trvalo udržateľného rozvoja.