أشباه موصلات كربيد السيليكون

من المعروف أن السيليكون هو المادة الأساسية في إنتاج أشباه الموصلات، إلا أن هناك مادة أخرى قد تصبح المادة التالية في تطبيقات الطاقة وهي كربيد السيليكون.

يتميز كربيد السيليكون (SiC) بخصائص كهربائية وحرارية متفوقة على السيليكون، مع جهد انهيار أعلى بكثير ومقاومة تشغيل أقل عندما يتعلق الأمر بتطبيقات التحويل عالي السرعة. ونظراً لهذه الفوائد، تبرز SiC كمادة أكثر ملاءمة من السيليكون لمثل هذه المهام.

المزايا

تُستخدم أشباه موصلات كربيد السيليكون في العديد من الأجهزة الإلكترونية، بدءًا من السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة الشمسية إلى تكنولوجيا الجيل الخامس. كما أن خصائصها الحرارية والكهربائية المتميزة تجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة من نظيراتها من السيليكون؛ ومن ثم ارتفعت شعبيتها بشكل كبير على مر السنين. وقد ارتفع الطلب عليها تبعًا لذلك.

وتوفر أشباه موصلات كربيد السيليكون العديد من المزايا فيما يتعلق بكفاءة الطاقة، وسرعات تبديل أسرع، وتقليل خسائر الجهاز، ومقاومة فائقة لدرجات الحرارة العالية وفولتية الانهيار مقارنة بنظيراتها من السيليكون. وعلاوة على ذلك، فإن بنيتها الأكثر متانة تسمح لها بالصمود بشكل أفضل في ظل الظروف البيئية القاسية؛ وكل ذلك يساهم في أن تصبح خيارات شائعة للتطبيقات الجديدة مثل محطات شحن السيارات الكهربائية ومحولات الطاقة الشمسية.

كانت ترانزستورات IGBTs والترانزستورات ثنائية القطب في السابق هي الأجهزة المستخدمة في تطبيقات إلكترونيات الطاقة، ومع ذلك فإن هذه الأجهزة تمثل تحديات متعددة مثل ترددات التبديل المحدودة والإنتاج المفرط للحرارة. تتميز أجهزة SiC بفجوات نطاق أوسع تتيح ترددات تبديل أعلى مع انخفاض مقاومة التشغيل مع وجود نقطة انصهار أقل من السيليكون، مما يعني أنها يمكن أن تتحمل درجات حرارة أعلى بسهولة.

قد يتم استخدام أشباه موصلات كربيد السيليكون مع مواد أخرى مثل البوليمرات والسيراميك، اعتمادًا على استخدامها، وبالتالي يجب اختبارها بدقة لضمان الجودة والسلامة - وتشمل هذه الطرق اختبار التألق بالأشعة السينية وقياس الطيف الكتلي للتفريغ المتوهج (GDMS).

التطبيقات

كربيد السيليكون مادة مثيرة للإعجاب قادرة على إحداث ثورة في إلكترونيات الطاقة. توفر كربيد السيليكون، وهي أشباه موصلات ذات فجوة نطاق واسعة، مزايا متعددة مقارنة بنظيراتها من السيليكون من حيث التعامل مع ارتفاعات الجهد، وأوقات تبديل أسرع وخسائر أقل في الجهاز، فضلاً عن كونها مقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة - وهي صفات تجعلها مناسبة للسيارات الكهربائية والتطبيقات الصناعية ومحولات الطاقة الشمسية على حد سواء.

كربيد السيليكون (SiC) هو أخف المواد الخزفية وأصلبها مع توصيل حراري فائق ومقاومة كيميائية ضد الأحماض والليز. بالإضافة إلى ذلك، يوفر كربيد السيليكون عازلًا كهربائيًا أكبر بعشر مرات من السيليكون مع قوة مجال انهيار عالية للغاية أكبر بعشرة أضعاف من قوة مجال انهيار السيليكون، وهو غير سام تمامًا في تركيبته.

أصبحت أجهزة الطاقة SiC مورداً لا غنى عنه في مختلف التطبيقات. من تمكين طفرة التنقل الكهربائي إلى دعم الرقمنة في البيئات الصناعية، أثبتت أجهزة الطاقة هذه فائدتها في مجموعة من القطاعات والصناعات. بدءاً من أنظمة إدارة البطاريات وأجهزة الشحن المدمجة إلى محولات التيار المستمر/التناوب المستمر - أصبحت أجهزة SiC بسرعة معياراً صناعياً يساعد على جعل الحياة أكثر استدامة مع تقليل تكاليف محطات الشحن.

أحدث كربيد السيليكون ثورة في مجال إلكترونيات الطاقة بسبب خصائصه الفيزيائية والإلكترونية الفريدة. وباعتباره أحد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريضة الوحيدة ذات البنية البلورية السداسية (4H-SiC)، فإن كربيد السيليكون يشكل مادة ممتازة لأجهزة الطاقة عالية الجهد التي يجب أن تتحمل البيئات القاسية مع سرعات تبديل أسرع وخسائر أقل، ويمكن حتى استخدامها بترددات عالية جدًا دون المساس بالأداء أو الموثوقية. من المحتمل أن تحل هذه المادة محل الترانزستورات ثنائية القطب أو الترانزستورات ثنائية القطب الحالية دون أي تنازلات في الأداء أو الموثوقية.

التصنيع

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة شبه موصلة متعددة الاستخدامات للغاية. ويمكن تطعيمها بشكل كبير سواء من النوع n أو النوع p بالنيتروجين أو الفوسفور أو الألومنيوم أو الغاليوم لتحقيق التوصيل المعدني وإعطاء بلورات كربيد السيليكون النقي بريقها المميز الذي يشبه قوس قزح؛ وغالباً ما تحتوي الدرجات الصناعية على شوائب حديدية تغير لونها من البني إلى الأسود.

تنبع الخصائص العازلة لأشباه الموصلات هذه من بنيتها البلورية. فطبقاته الذرية تخلق تناسبًا محكمًا بين نطاقات التكافؤ والتوصيل مما يجعل حركة الإلكترونات بين الطبقات أكثر صعوبة - مما يمنحه القدرة على تحمل ما يقرب من عشرة أضعاف المجالات الكهربائية التي يتحملها السيليكون.

توفر ثنائيات شوتكي من كربيد السيليكون كربيد السيليكون مقاومة تشغيل وشحنة بوابة إجمالية أقل، مما يجعلها أكثر كفاءة وأسرع من نظيراتها القائمة على السيليكون - وهي مثالية للتطبيقات المتعطشة للطاقة مثل محولات الطاقة والمفاتيح في السيارات الكهربائية (EV) أو أنظمة الطاقة المتجددة.

يُعد تصنيع أشباه موصلات كربيد السيليكون عملية معقدة. وهي تتضمن استخدام عدة معدات لإنتاج رقائق ذات خشونة سطحية أقل من 1 ميكرون، قبل التلميع بسائل التلميع الميكانيكي الكيميائي (CMP) على وسادات مشبعة باللباد أو اليوريثان لإزالة التلف والأكسدة السطحية - هذه الخطوة المعروفة باسم التلميع الميكانيكي الكيميائي ضرورية من أجل إعداد أسطح الركيزة للنمو الفوقي مع الحفاظ في الوقت نفسه على استقرار شكل الرقاقة.

التسعير

يأتي كربيد السيليكون في أشكال وتطبيقات مختلفة. من أدوات القطع والمواد الكاشطة، إلى أشباه الموصلات وحتى معدن المويسانيت الشفاف - يتم تصنيع كربيد السيليكون منذ فترة طويلة صناعياً منذ عام 1893 في منشآت الإنتاج على نطاق واسع، كما يوجد بشكل طبيعي. ونظراً لكونه مادة صلبة ومتينة على حد سواء، فإنه يمكنه تحمل درجات الحرارة العالية والإجهاد الميكانيكي دون أن ينكسر.

تشهد أشباه موصلات كربيد السيليكون توسعًا سريعًا في السوق العالمية حيث تبحث الشركات عن حلول فعالة لإدارة الطاقة. تجعلها خصائصها الحرارية والكهربائية الفريدة من نوعها خيارات شائعة بين التطبيقات الصناعية؛ وعلاوة على ذلك، تسمح قابليتها للتطوير للمصنعين بخفض تكاليف الإنتاج.

أليجرو مايكروسيستمز هي إحدى هذه الشركات التي تتوسع لتلبية الطلب المتزايد على أشباه موصلات كربيد السيليكون. وباعتبارها واحدة من الشركات الرائدة في مجال حلول الاستشعار والطاقة لمحركات المحركات، تتوسع Allegro لدعم الطلب.

ويُعد كربيد السيليكون جزءًا لا يتجزأ من أشباه موصلات الطاقة التي أصبحت جزءًا متزايدًا من شواحن بطاريات السيارات الكهربائية، وأنظمة شحن السيارات الكهربائية على متنها، ومحولات التيار المستمر-التردد (DC-DC)، وتوربينات الرياح، والمحولات الكهروضوئية مع ارتفاع الطلب على مصادر الطاقة المتجددة. وتشمل الجهات الفاعلة الرئيسية الأخرى شركة II-VI Coherent Corp، وشركة صناعات مكونات أشباه الموصلات المحدودة وشركة WOLFSPEED INC. ومن المتوقع أن يؤدي استخدام كربيد السيليكون كجزء من أشباه موصلات الطاقة إلى تعزيز النمو في هذا القطاع من السوق.