Silicium, carbure de silicium et nitrure de gallium

Derrière les produits numériques couramment utilisés et les véhicules électriques de haute technologie, la station de base 5G, se trouvent 3 matériaux semi-conducteurs de base : le silicium, le carbure de silicium et le nitrure de gallium qui sont les moteurs de l'industrie. Ils ne sont pas alternatifs les uns aux autres, ils sont les experts d'une équipe et ont un effort irremplaçable sur différents champs de bataille. En comprenant leur division du travail, nous pouvons voir l’arbre de développement de l’industrie électronique moderne.

1.Silicium: La pierre de base des circuits intégrés

Le silicium est sans aucun doute le roi des semi-conducteurs, régissant tous les domaines de l’informatique complexe et hautement intégrée. Le processeur de l'ordinateur, le SoC mobile, les processeurs graphiques, la mémoire, la mémoire flash et divers microcontrôleurs et puces logiques numériques, sont presque tous construits à base de silicium.

Pourquoi le silicium domine ce domaine

1)Excellent diplôme intégré

La conductivité thermique du SiC est 3 fois supérieure à celle du silicium. Dans les applications à haute puissance, le chauffage est le « top killer ». Le dispositif SiC peut évacuer plus rapidement le chauffage lui-même, pour permettre au système de fonctionner de manière stable sous une densité de puissance plus élevée, ou pour simplifier le système de dissipation thermique.

: La pierre de base des circuits intégrés

Après plus d’un demi-siècle de développement, le processus du silicium est le résultat de toute la civilisation industrielle humaine. De la purification à l'extraction des cristaux, en passant par la photolithographie et la gravure, il a formé une chaîne industrielle mature et énorme, pour produire des cristaux de haute qualité à une échelle étonnante et à un coût extrêmement faible.

3)Bon équilibre

Le silicium atteint le meilleur équilibre entre conductivité, vitesse de commutation, coût de fabrication et performances thermiques. Bien qu'il ne puisse pas égaler les performances extrêmes de son nouveau matériel, il est parfaitement adéquat et constitue le choix le plus économique pour gérer des signaux numériques et des opérations logiques complexes.

2.Carbure de silicium: Power Guardians sur le champ de bataille à haute tension

Le SiC est le matériau révolutionnaire dans le domaine des hautes tensions et des hautes puissances. Il est principalement utilisé dans les « appareils électriques » pour la conversion et le contrôle de l’énergie. Tels que l'onduleur d'entraînement principal, le chargeur embarqué, le convertisseur DC-DC dans les véhicules à énergie nouvelle ; stations de conversion de réseaux intelligents, entraînements de moteurs industriels et transport ferroviaire dans l'industrie et le réseau électrique ; onduleurs photovoltaïques et convertisseurs d'énergie éolienne dans l'industrie de la production d'énergie nouvelle.

Pourquoi SiC convient aux applications haute tension

1) Intensité du champ électrique de claquage extrêmement élevée

L’intensité du champ électrique de claquage du SiC est 10 fois supérieure à celle du silicium. Cela signifie fabriquer le même dispositif de tenue en tension, la couche épitaxiale de SiC peut être plus fine, la concentration de dopage peut être plus élevée, pour réduire la résistance à l'état passant du dispositif. Lorsque la résistance diminue, la perte d'énergie et la génération de chaleur peuvent être considérablement réduites lors de la conduction.

2) Bonne conductivité thermique

La conductivité thermique du SiC est 3 fois supérieure à celle du silicium. Dans les applications à haute puissance, le chauffage est le « top killer ». Le dispositif SiC peut évacuer plus rapidement le chauffage lui-même, pour permettre au système de fonctionner de manière stable sous une densité de puissance plus élevée, ou pour simplifier le système de dissipation thermique.

3) Capacité de travail à haute température

La température de fonctionnement du dispositif en silicium est généralement inférieure à 175 °C, tandis que le dispositif en SiC peut fonctionner de manière stable au-dessus de 200 °C. Cela le rend plus fiable dans les environnements à haute température et difficiles, tels que les systèmes électroniques situés à proximité du moteur de la voiture.

3.Nitrure de Gallium: le pionnier de la vitesse sur la piste haute fréquence

Le principal avantage du GaN réside dans la haute fréquence. Il brille dans deux domaines :

Electronique de puissance haute fréquence (charge rapide) : application la plus répandue actuellement, permettant d'utiliser des chargeurs rapides GaN compacts et très efficaces.

Front-end RF : amplificateurs de puissance dans les stations de base de communication 5G et les systèmes radar de l'industrie de la défense.

Pourquoi GaN est le roi des performances haute fréquence

1)Vitesse de dérive de saturation des électrons extrêmement élevée : les électrons se déplacent extrêmement rapidement dans les matériaux GaN, ce qui signifie que les transistors peuvent atteindre des vitesses de commutation extrêmement élevées. Pour les alimentations à découpage, des fréquences de commutation plus élevées permettent l'utilisation de condensateurs et d'inductances plus petits et plus légers, permettant ainsi la miniaturisation du chargeur.

2) Transistor à haute mobilité électronique (HEMT) : comme détaillé dans l'article précédent, l'interface à hétérojonction GaN-AlGaN peut automatiquement former un gaz électronique bidimensionnel (2DEG), avec une concentration et une mobilité électroniques extrêmement élevées, ce qui entraîne une résistance à l'état passant extrêmement faible. Cela confère aux dispositifs GaN le double avantage d'une faible perte de conduction et d'une faible perte de commutation lors d'une commutation à grande vitesse.

3) Bande interdite plus large : Semblable au carbure de silicium, le GaN possède également une large bande interdite, ce qui le rend résistant aux températures et aux tensions élevées, et plus robuste que le silicium.