Silikon, Silikon Karbida dan Gallium Nitrida

Di balik produk digital yang umum digunakan dan kendaraan listrik berteknologi tinggi, stasiun pangkalan 5G, terdapat 3 bahan semikonduktor inti: Silikon, Silikon Karbida, dan Gallium Nitrida yang menggerakkan industri ini. Mereka bukanlah alternatif satu sama lain, mereka adalah ahli dalam sebuah tim, dan memiliki upaya yang tak tergantikan di medan perang yang berbeda. Memahami pembagian kerja mereka, kita bisa melihat pohon perkembangan industri elektronik modern.

1.Silikon: Batu dasar sirkuit terpadu

Silikon tidak diragukan lagi adalah raja semikonduktor, menguasai semua bidang komputasi yang sangat terintegrasi dan kompleks. CPU komputer, SoC seluler, prosesor grafis, memori, memori flash, dan berbagai mikrokontroler serta chip logika digital, hampir semuanya dibangun di atas basis Silikon.

Mengapa Silicon mendominasi bidang ini

1) Gelar terintegrasi yang sangat baik

Silikon memiliki sifat material yang bagus, sehingga dapat menumbuhkan film isolasi SiO2 yang sempurna di permukaan melalui proses oksidasi termal. Properti ini adalah dasar untuk membangun transistor CMOS, mengintegrasikan miliaran bahkan sepuluh miliar transistor pada sepotong kecil chip, untuk mencapai fungsi logistik yang sangat kompleks.

2) Proses yang matang dan biaya rendah

Melalui perkembangan lebih dari setengah abad, proses Silicon merupakan hasil dari seluruh peradaban industri manusia. Dari pemurnian, penarikan kristal, hingga fotolitografi, pengetsaan, telah membentuk rantai industri yang matang dan besar, untuk menghasilkan kristal berkualitas tinggi dengan skala yang menakjubkan dan biaya yang sangat rendah.

3) Keseimbangan yang baik

Silikon mencapai keseimbangan terbaik antara konduktivitas, kecepatan peralihan, biaya produksi, dan kinerja termal. Meskipun kinerjanya mungkin tidak sebanding dengan material pemula dalam kinerja ekstrem, ini sangat memadai dan merupakan pilihan paling ekonomis untuk menangani sinyal digital dan operasi logika yang kompleks.

2.Silikon Karbida: Penjaga Kekuatan di Medan Perang Tegangan Tinggi

SiC adalah material revolusi di bidang tegangan tinggi dan daya tinggi. Hal ini terutama digunakan dalam "perangkat listrik" untuk konversi dan kontrol daya. Seperti inverter penggerak utama, pengisi daya terpasang, konverter DC-DC pada kendaraan energi baru; stasiun konverter jaringan pintar, penggerak motor industri, dan angkutan kereta api di industri dan jaringan listrik; inverter fotovoltaik dan konverter tenaga angin di industri pembangkit listrik energi baru.

Mengapa SiC cocok untuk aplikasi tegangan tinggi

1) Kekuatan medan listrik kerusakan yang sangat tinggi

Kekuatan tembus medan listrik SiC 10 kali lebih tinggi dibandingkan Silikon. Ini berarti membuat perangkat penahan tegangan yang sama, lapisan epitaksial SiC bisa lebih tipis, konsentrasi doping bisa lebih tinggi, untuk mengurangi resistansi perangkat. Ketika resistansi menjadi lebih rendah, kehilangan energi dan panas yang dihasilkan selama konduksi dapat dikurangi secara signifikan.

2) Konduktivitas termal yang baik

Konduktivitas termal SiC 3 kali lipat dari Silikon. Dalam aplikasi daya tinggi, pemanasan adalah “pembunuh utama”. Perangkat SiC dapat mengeluarkan pemanasan itu sendiri dengan lebih cepat, sehingga memungkinkan sistem bekerja dengan stabil di bawah kepadatan daya yang lebih tinggi, atau menyederhanakan sistem pembuangan panas.

3) Kapasitas kerja suhu tinggi

Suhu kerja perangkat Silikon biasanya di bawah 175°C, sedangkan perangkat SiC dapat bekerja stabil pada suhu di atas 200°C. Hal ini membuatnya lebih andal dalam lingkungan bersuhu tinggi dan keras, seperti sistem elektronik yang terletak dekat dengan mesin mobil.

3.Galium Nitrida: pelopor kecepatan di jalur frekuensi tinggi

Keunggulan inti GaN adalah pada frekuensi tinggi. Itu bersinar di dua bidang:

Elektronik daya frekuensi tinggi (pengisian cepat): aplikasi paling luas saat ini, memungkinkan kita menggunakan pengisi daya cepat GaN yang ringkas dan sangat efisien.

Front-end RF: Penguat daya di stasiun pangkalan komunikasi 5G dan sistem radar di industri pertahanan.

Mengapa GaN adalah raja performa frekuensi tinggi

1) Kecepatan penyimpangan saturasi elektron yang sangat tinggi: Elektron bergerak sangat cepat dalam material GaN, yang berarti transistor dapat mencapai kecepatan peralihan yang sangat tinggi. Untuk mengganti catu daya, frekuensi peralihan yang lebih tinggi memungkinkan penggunaan kapasitor dan induktor yang lebih kecil dan ringan, sehingga memungkinkan miniaturisasi pengisi daya.

2) Transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT): Seperti yang dijelaskan dalam artikel sebelumnya, antarmuka heterojungsi GaN-AlGaN dapat secara otomatis membentuk gas elektron dua dimensi (2DEG), dengan konsentrasi dan mobilitas elektron yang sangat tinggi, sehingga menghasilkan resistansi yang sangat rendah. Hal ini memberi perangkat GaN keuntungan ganda yaitu kehilangan konduksi rendah dan kehilangan peralihan rendah selama peralihan kecepatan tinggi.

3) Celah pita yang lebih lebar: Mirip dengan silikon karbida, GaN juga memiliki celah pita yang lebar, sehingga tahan terhadap suhu tinggi dan tegangan tinggi, serta lebih kuat dibandingkan silikon.