Jauna materiālu tehnoloģija uzlabo pusvadītāju veiktspēju

Jauno materiālu veidi un īpašības
Silīcija karbīds (SiC)
Silīcija karbīda kā platas joslas pusvadītāju materiāla joslas spraugas platums ir aptuveni 3,3 elektronvolti (eV), kas ir daudz lielāks nekā tradicionālā silīcija (Si) 1,1 elektronvolts. Tādējādi silīcija karbīdam ir augstāka siltumvadītspēja un strāvas nestspēja, padarot to īpaši piemērotu augstas temperatūras, augsta spiediena un augstfrekvences izmantošanas scenārijiem.

Spēka elektronikas jomā SiC ierīces var efektīvi uzlabot sistēmas efektivitāti un samazināt enerģijas zudumus. Piemēram, SiC MOSFET ir plaši izmantots elektrisko transportlīdzekļu jaudas pārvaldībā un motora piedziņā, un tā zemā pretestība un augsta pārslēgšanas frekvence ievērojami uzlabo elektrisko transportlīdzekļu klāstu.

Gallija nitrīds (GaN)
Gallija nitrīds ir vēl viens plaši pētīts platas joslas spraugas pusvadītāju materiāls, kura joslas spraugas platums ir aptuveni 3,4 elektronvolti. GaN ir lieliska augstfrekvences veiktspēja un zems vadītspējas zudums, tāpēc tas ir piemērots augstfrekvences un lieljaudas lietojumiem. GaN ierīces ir pierādījušas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām silīcija ierīcēm RF jaudas pastiprinātājos un komutācijas barošanas avotos.

Īpaši 5G sakaru iekārtās GaN materiāls var atbalstīt augstākas darbības frekvences un lielāku izejas jaudu, kļūstot par vienu no svarīgiem materiāliem 5G infrastruktūras būvniecības veicināšanai. Turklāt GaN augstā efektivitāte ir veicinājusi arī bezvadu uzlādes tehnoloģijas attīstību, padarot to par potenciālu materiālu nākotnes enerģijas pārvadei.

2D materiāli
Pēdējos gados pusvadītāju jomā plašu uzmanību ir piesaistījuši divdimensiju materiāli, piemēram, grafēns un pārejas metālu disulfīdi (piemēram, MoS ₂). Grafēnam ir ārkārtīgi augsta elektronu mobilitāte un siltumvadītspēja, kas padara to par ideālu materiālu augstfrekvences un ātrgaitas elektroniskām ierīcēm.

Lai gan divdimensiju materiāli joprojām saskaras ar problēmām ražošanas procesos, to potenciālu mazjaudas, elastīgās elektroniskās ierīcēs nevar ignorēt. Piemēram, uz MoS ₂ balstīti lauka efekta tranzistori (FET) tiek uzskatīti par galveno nākotnes elastīgo elektronisko ierīču sastāvdaļu, kas spēj sasniegt vieglu dizainu, vienlaikus saglabājot augstu veiktspēju.

Jauno materiālu tehnoloģijas pielietojums
elektriskais transportlīdzeklis
Elektrisko transportlīdzekļu popularizēšana ir izvirzījusi augstākas prasības pusvadītāju materiāliem. SiC un GaN materiālu izmantošana padara elektrisko transportlīdzekļu energosistēmu efektīvāku. Silīcija karbīda diodes un MOSFET var izturēt augstāku spriegumu un temperatūru, tādējādi samazinot uzlādes, enerģijas atgūšanas un jaudas pārvades zudumus.

Piemēram, daudzi elektrisko transportlīdzekļu ražotāji ir sākuši izmantot SiC tehnoloģiju, lai aizstātu tradicionālās silīcija ierīces un uzlabotu elektrisko transportlīdzekļu enerģijas pārveidošanas efektivitāti. Tas ne tikai uzlabo transportlīdzekļa izturību, bet arī samazina akumulatora uzlādes laiku.

5G komunikācija
5G tehnoloģijas straujā attīstība ir veicinājusi pieprasījumu pēc augstas veiktspējas pusvadītāju materiāliem. Gallija nitrīda ierīces ir kļuvušas par vēlamo materiālu 5G bāzes stacijām un termināla iekārtām to izcilās augstfrekvences veiktspējas dēļ. GaN lieljaudas raksturlielumi ļauj tai apstrādāt lielāku datu trafiku, nodrošinot lielāku pārraides ātrumu un mazāku latentumu 5G tīkliem.

Tikmēr līdz ar 5G ierīču plašu izplatību nepārtraukti attīstās arī saistītās RF un mikroviļņu tehnoloģijas. Jaunu materiālu pielietošana palīdzēs vērienīgā 5G bāzes staciju izbūvē, uzlabojot kopējo tīkla stabilitāti un pārklājumu.

atjaunojamo enerģiju
Jaunajām materiālu tehnoloģijām ir svarīga loma arī atjaunojamās enerģijas jomā. Jaudas elektroniskās ierīces, kuru pamatā ir silīcija karbīds, tiek plaši izmantotas saules invertoru un vēja enerģijas ražošanas sistēmās, uzlabojot enerģijas pārveidošanas efektivitāti.

Izmantojot SiC tehnoloģiju, saules invertori var efektīvāk pārveidot līdzstrāvu maiņstrāvā, ievērojami samazinot enerģijas zudumus un veicinot plašāku atjaunojamās enerģijas pielietojumu. Turklāt gallija nitrīda tehnoloģija ir pierādījusi savas priekšrocības arī akumulatoru pārvaldības sistēmās, uzlabojot kopējo energoefektivitāti.

Jauno materiālu tehnoloģiju nākotnes attīstības tendence
Nepārtraukta materiālu inovācija
Zinātnei un tehnoloģijai nepārtraukti attīstoties, pusvadītāju materiālu inovācijas turpināsies. Nākotnē tiks izstrādāti vairāk jaunu materiālu ar izcilu elektrisko veiktspēju un siltuma pārvaldības iespējām. Šie jaunie materiāli apmierinās pieprasījumu pēc augstākas veiktspējas ierīcēm, jo ​​īpaši lietojumos ar lielu jaudu, augstu frekvenci un ekstremālām vidēm.

Ražošanas procesa uzlabošana
Jaunu materiālu izmantošana arī izvirza augstākas prasības ražošanas procesiem. Attīstoties jaunām ražošanas tehnoloģijām, piemēram, 3D drukāšanai un nanotehnoloģijai, pusvadītāju ierīču ražošanas process kļūs rafinētāks un viedāks. Tas veicinās jaunu materiālu ātru komercializāciju un pielietojumu.

Vides aizsardzība un ilgtspējīga attīstība
Pieaugošā vides apziņa visā pasaulē ir radījusi spiedienu uz pusvadītāju nozari, lai tā tiktu pārveidota. Nākotnē videi draudzīgu pusvadītāju materiālu izstrāde kļūs par nozares tendenci. Piemēram, videi draudzīgi materiāli, kas aizstāj kaitīgās vielas, ne tikai palīdz uzlabot ierīces veiktspēju, bet arī atbilst ilgtspējīgas attīstības koncepcijai.