Širokopásmové polovodiče: když je výzkum skutečný
V roce 2004 BBC uvedla, že vědci získali „teleportaci“ atomového měřítka pomocí laserového světla. Článek uvádí, že tento jev umožní ukládání kvantových dat do „počítačů zítřka“.
Nejsem si jistý, co přesně mají na mysli „zítra“, ale bylo to před 15 lety a ještě jsem neviděl reklamu na mikrokontrolér nebo paměťový čip, který by ukládal data v qubitech.
Téhož roku ředitel výzkumného střediska Almaden společnosti IBM řekl stanfordskému reportérovi, že spintronika může „potenciálně způsobit revoluci v elektronickém průmyslu, stejně jako před 50 lety tranzistor“.
Zajímalo by mě, kolik elektrotechniků ví, co znamená „spintronika“. V každém případě, pokud dojde k revoluci, zobrazí se velmi nízký profil.
A pak je tu diamant. V minulosti jsme diskutovali o tom, jak někteří vědci soutěžili o diamant, který by nahradil křemík jako výkonový polovodič a senzor.
Zatímco pilové kotouče jsou nepochybně užitečné pro lešticí zařízení a návrhy sňatků, jeho status polovodiče budoucnosti je stále v oblasti teorie.
Tyto příklady nám připomínají, že mnoho nebo většina projektů technického výzkumu nemá významný vliv na konstrukční práci profesionálních inženýrů.
To neznamená, že tento typ výzkumu je bezcenný, ale naznačuje, že inženýři, kteří chtějí udržovat své znalosti a dovednosti aktuální, by byli mnohem lepší, kdyby si přečetli nově zveřejněnou poznámku o aplikaci nebo datový list než tiskovou zprávu napsanou výzkumníky.
Je WBG výjimkou?
Termín „širokopásmový polovodič (WBG)“ označuje materiály, které mohou fungovat jako polovodiče, ale mají valenční pásmo a energetický rozsah vodivého pásma větší než křemík.
Tato energetická mezera z valenčního pásma do vodivého pásma je podrobněji popsána v pásmové teorii pevných látek v učebnici AAC.
To znamená, že přivedení elektronů do stavu, který umožňuje tok elektrického proudu, vyžaduje více energie.
Obrázek separace elektronového pásma v polovodičových materiálech. Obrázek pásové teorie pevných látek z učebnice AAC
Vyšší potřeba energie způsobí, že materiál WBG vypadá spíše jako izolátor, což se může jevit jako nevýhoda.
V kontextu polovodičového designu však materiály WBG poskytují významné výhody tím, že umožňují zařízením pracovat při vyšších teplotách, napětích a frekvencích.
Na rozdíl od mnoha jiných laboratorních nápadů, které nejsou obsaženy v sadě nástrojů inženýra, Silicon Carbide (SiC) a Gallium Nitride (GaN) skutečně mění odvětví a umožňují návrhářům dosáhnout výkonu, který dosud nebyl realizován. Je to možné v dobách, kdy máme na výběr většinou silikon, silikon nebo silikon.
Zařízení WBG pro vysoce výkonné a vysokofrekvenční aplikace
Nejzralejší materiál WBG je SiC; Je již široce používán při výrobě spínacích zařízení, jako jsou MOSFET a tyristory.
GaN má potenciál stát se polovodičem pro výkonová zařízení a je významným zlepšením oproti křemíku v RF aplikacích.
Cree představil první komerční SiC výkonový MOSFET a tento materiál WBG nabízí vyšší tepelnou vodivost, vyšší proud v menším balení a vyšší oblast kritického rozpadu, v případě potřeby.
Microchip a ROHM uvedly na trh nové SiC MOSFETy a diody a vidíme také investice společností Infineon, STMicroelectronics a ON Semiconductor, zejména do automobilového energetického designu.
Předtím jsme diskutovali o výhodách a nevýhodách FET z karbidu křemíku (SiC) analýzou MOSFETu C3M0075120K od společnosti Cree. Obrázek s laskavým svolením Wolfspeed
Analog Devices vyrobili zařízení GaN pro vysokofrekvenční aplikace a věří, že tento materiál pomůže návrhářům dosáhnout vyšší efektivity a rozšířené šířky pásma při současném snížení velikosti a hmotnosti.
Tento graf ukazuje kombinaci vysokého výkonu a vysoké frekvence, kterou nabízejí širokopásmové polovodiče. Obrázek použit se svolením analogových zařízení
Cesta před námi
Na začátku října zveřejnil Transparency Market Research zprávu o průzkumu trhu s širokopásmovými polovodiči.
Odhadují, že v příštích osmi letech bude CAGR 22%, s největším zlepšením na asijsko-pacifickém a severoamerickém trhu.
Významná část tohoto růstu bude pocházet z odvětví hybridních / elektrických vozidel, ale vyniknou také aplikace, jako jsou napájecí zdroje, motory a větrné turbíny.
V tomto okamžiku se zdá, že polovodiče WBG skutečně mění způsob, jakým elektrotechnici navrhují obvody.
Zařízení SiC a GaN jsou stále dostupnější a široce dostupná a nabízejí výkon, kterého nelze dosáhnout pomocí křemíku, křemíku, germania nebo arsenidu gália.
Na co myslíš? Bude šíření zařízení WBG elektronickou „revolucí“ nebo další kapitolou postupného zdokonalování polovodičových technologií?
Obrázek použité krystalové struktury Gaurt Wurtzite se svolením Solid State (CC BY-SA 4.0)
