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碳化硅的前世今生:三安光电 斯达半导的第三代半导体技术

2022-10-22 22:49:51 2975

摘要:一、碳化硅上世纪初期就已经被发现,逐渐形成了生产能力,在工业生产中得到广泛的应用。主要应用是:高温冶炼炉的衬底耐火材料,耐磨材料,刀具,碳棒等。一个概念:它特别硬,仅次于金刚石。可以看出碳化硅具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨...

一、碳化硅

上世纪初期就已经被发现,逐渐形成了生产能力,在工业生产中得到广泛的应用。

主要应用是:高温冶炼炉的衬底耐火材料,耐磨材料,刀具,碳棒等。

一个概念:它特别硬,仅次于金刚石。

可以看出碳化硅具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等特点。

碳化硅是牛坚强!

我国生产碳化硅企业有多家,需求不足。

二、禁带宽度

小明在幸福中学高1.1班。班主任要求很严格,每天最多的时候,需要做50道题,同学们苦不堪言,为了好的学习成绩,咬牙坚持。下半学期,1班换了班主任,这个班主任要求更严,为了提高成绩,每天最多的时候需要做70道题,同学们崩溃,没有办法完成老师布置的任务,在1班呆不下去了,纷纷要求转班。

每天做50道题是1班学生的极限,是1班的“禁带宽度”,超过了50道题,同学们就“逃逸”。

对于半导体材料:

室温下(300K),硅的禁带宽度约为1.12 eV,eV是能量单位,也就是说给硅的能量一旦大于1.12eV(焦耳)时,硅原子中的电子逃跑。

第三代半导体碳化硅、氮化镓,禁带宽度为2.2eV,比硅的禁带宽度大了将近一倍,所以第三代半导体被称为“宽禁带半导体”。

三、为什么发展第三代半导体

随着科学技术的发展,电子器件用途越来越广泛,就对电子器件提出了愈来愈高的要求,特别是需要大功率、高频、高速、高温以及在恶劣环境中工作的器件。

例如:

高性能军用飞机及超音速琶机发动机的监控系统要求在300℃下长期工作,而一般的器件只能在100℃下正常运行:

在星际航行方面,水星在接近太阳时表面温度为370℃,而金星的表面温度更高,达450℃,压力为107Pa,可是硅电池的最高工作温度仅200℃

通信领域也要求更高的频率和更大的功率,所有这些都是现有的Si器件所无法满足的。

时代的需求呼唤着高温半导体材料的出现。对于研究半导体材料的人来说,正面临着一个令人振奋的时代,因为近年来在高温半导体方面的研究进展很快。

第三代半导体碳化硅和氮化镓应运而生。具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,逐步受到重视。

四、功率半导体

小明所在幸福中学10个班,每个班有学生50名,每个班都有一个小门,学校门口有一个大门,放学的时候,学生就会一齐涌向大门,因此,学校大门要足够大,才能保证学生就能轻松进出。学校的大门是能够控制的,开、关有卫门控制。

在芯片中,每一个小门有PN结构成,通过它的电流很小,不要求它能够承担大的电流。相当于每个班的小门。

如果通过芯片来控制负荷,比如通过喇叭把说话的声音放的很大,芯片内就要通过很大的电流,相当于学校的大门。这类芯片就叫功率半导体。这个芯片也是可以控制的,按照要求开或关。

因此:功率半导体是能够支持高电压、大电流的半导体,在使用高电压、大电流时不会损坏。另外,由于使用大功率容易发热产生高温,因而成为故障发生的原因。

功率半导体包括:二极管、晶闸管、门极关断晶闸管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管等。

1)二极管是学校的大门,学生只能出去回不来,并且想出就出。

2)晶闸管是学校的大门,当学校内的人数比学校外的人数多的时候,卫门打开门,学生就走出校门,一旦打开了门,如果学校内的人数一直比学校外的人数多,后边的学生就能走出校门,卫门想关门也关不了。把校长叫来也关不了。一直到学校外的人数比学校内的人数多的时候,校门自动关闭。出去回不来(双向控制晶闸管可以做到可以进可以出)。

3)门极关断晶闸管,学校的大门,当学校内的人数比学校外的人数多的时候,卫门打开门,学生就走出校门,一旦打开了门,如果学校内的人数一直比学校外的人数多,后边的学生就能走出校门,如果卫门想关门,必须把校长、副校长都叫来,才能关上校门。

4)功率场效应晶体管,就是学校的大门,由卫门控制,想开就开想关就关。门打开,学生可以随便进出。

5)绝缘栅双极型晶体管,就是在场效应管前面加了两个PN结(加了一个三极管)。就是学校的大门,门卫能够控制大小,放学了,人多,把门开大,校领导、老师出去,人少,把门开小一点。

五、功率半导体的作用

功率半导体主要用于改变电压和频率;或将直流转换为交流,交流转换为直流等的电力转换。可精准的将发动机从低速到高速的循环运转;或用太阳能电池发电的电力毫不浪费的转送给电站;;或给各家电,电器等提供安定的电源。

功率半导体器件是关系着高铁动力系统、汽车动力系统、消费及通讯电子系统等能否实现自主可控的核心零部件,近年来得到了国家的大力支持。

斯达半导公司生产绝缘栅双极型晶体管。

六、第三代半导体应用

1)现在小明的幸福中学增加了10个班,变成了20个班,为了保证学生进出,那就要求把大门变大,出入量更大。

我们要给新能源电池快速充电,怎么办,加大充电电流,有硅做衬底做成的功率半导体通过的电流达不到大电流的要求,或者功率半导体体积大占空间大并且不容易控制。

第三代半导体材料做成的场效应管说关就关说停就停,体积小,并且能够在恶劣环境下工作,能够支持高电压,能够通过大电流,关断速度较快,满足了用电负荷需要通过大电流并容易控制的要求。

第三代半导体材料导热率高,是“宽禁带"半导体。有它制作的功率半导体大功率不容易发热产生高温、防击穿能力强,故障率底。

第三代半导体材料现阶段主要用来制作功率半导体,并已经得到广泛的应用,比如在特斯拉公司的超级充电站中得到应用。

所谓的第三代半导体最吸引人最迷人的地方就在这里。

2)在led中的应用

通过第三代半导体生产的LED(发光二极管)是最早也是应用最广泛的技术,有亮度高、能在恶劣环境条件下工作、漏电电流小、能耗低、不容易被击穿,使用寿命长等特点。

七、缺点

由第三代半导体材料做衬底生产芯片每一道门——PN结,门卫是大叔,开、关门的频率慢一些,但用在功率半导体上,完全能够满足工作要求。由硅做衬底生产的芯片每一道门——PN结,学校的门卫是小伙子,动作十分灵活,开、关大门频率很快。

如果用第三代半导体材料,用现在的技术生产集成电路,用在手机上,玩游戏,看头条,要慢成蜗牛,卡成照片。

八、感想

1)功率半导体是很多应用领域不可或缺的上游器件,有广阔的应用空间,随着第三代半导体材料的兴起,功率半导体市场将会变得越来越大。

2)斯达半导公司有先天优势发展第三代半导体,有技术储备能够生产氮化镓或碳化硅场效应管。

3)三安光电是第三代半导体材料的提供者并有能力生产氮化镓或碳化硅场效应管及发光二极管。

4)斯达半导公司、三安光电公司有技术能力、资金能力,一定会在第三代半导体技术发展过程中起到重要作用,加油!

5)碳化硅、氮化镓要替代硅成为真正的第三代半导体材料,需要走的路还很长,让我们一起加油。

加油!

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