Транзистор от силициев карбид

Силициевият карбид прави революция в силовата електроника. Той бавно замества традиционните силициеви транзистори, като същевременно предлага значителни подобрения на производителността.

Поради физическите и електронните свойства на материалите инженерите може да се окажат склонни да възприемат тази технология. За съжаление, погрешни схващания могат да ги възпрепятстват от пълното ѝ възприемане.

Силициевият карбид се среща в природата под формата на моисанитови скъпоценни камъни и се произвежда синтетично. И двете форми могат да бъдат променени така, че да се държат като полупроводници чрез допиране с елементи като алуминий, бор, галий и азот.

1. Високо пробивно напрежение

Силициевият карбид (SiC) е електронен материал, който се намира в много малки количества в природата в метеорити, корундови находища и кимберлитови скали, докато повечето SiC за електронни устройства произхожда от синтетични източници. SiC представлява икономична алтернатива на традиционните силициеви полупроводници, когато става въпрос за високи изисквания за ток/напрежение в такива приложения.

SiC транзисторите са си спечелили място сред експертите по силова електроника благодарение на впечатляващо високото си пробивно напрежение. Благодарение на 10 пъти по-голямото си критично електрическо поле в сравнение със силиция, SiC позволява на устройствата да функционират със значително намалено съпротивление на дрейфащия слой на площ, което води до впечатляващо високи издръжливи напрежения и изключително ниски стойности на съпротивлението при включване.

Топологии с твърдо превключване, като например корекция на фактора на мощността на тотемния полюс и синхронен усилвател, са възможни с IGBT, докато по-високите им съпротивления при включване водят до значително генериране на топлина и загуби при превключване с IGBT и биполярни транзистори, което води до значително генериране на топлина и загуби при превключване.

Широката честотна лента на SiC позволява използването на по-малки слоеве оксид на гейта, което води до по-ниски паразитни елементи и по този начин до по-ниско съпротивление при включване и по-добра производителност - предимство, което е особено полезно при приложения за високоскоростно превключване, където трябва да се поддържат високи честоти, без да се създава прекомерна топлина.

SiC е добре познат с отличните си характеристики при високи скорости, но неговата топлопроводимост е още по-добра - повече от три пъти по-голяма от тази на силиция. Това позволява на устройствата, изработени от SiC, да разсейват големи количества излишна енергия дори при по-високи температури, без да повреждат вътрешните структури - нещо, което силициевите устройства не могат да правят ефективно, което води до по-висока плътност на мощността и намаляване на загубите.

2. Висока топлопроводимост

Силициевият карбид, често наричан в природата моисанит, е състав от силиций и въглерод, който се среща в природата като синкаво-черен минерал с полупроводникови свойства. Тъй като електронните устройства, като транзисторите, генерират топлина по време на работата си, материалите, способни да я разсейват бързо, са важни компоненти.

Топлопроводимостта на силициевия карбид играе съществена роля в разсейването на произведената топлина. По-високата топлопроводимост позволява на полупроводниковите устройства да се охлаждат по-бързо след изключване.

Превъзходната топлопроводимост на силициевия карбид може да се обясни с много по-високата плътност на дефектите в решетката му в сравнение с други полупроводници, като например галиевия нитрид. Това позволява повече топлина да се отделя от повърхността на чипа и след това лесно да се охлажда с помощта на методи за водно или въздушно охлаждане.

Плътната структура на силициевия карбид и намалената деформация на решетката го превъзхождат по отношение на производителността - намаляват образуването на дислокации - други полупроводникови материали като силиция.

Изследователите, занимаващи се с изучаване на силициевия карбид, са проучили различни фактори, които влияят върху неговата топлопроводимост, за да разберат по-добре защо този материал има толкова висока топлопроводимост, като например съдържанието на кислород/азот в решетката, порьозността, размера на зърната, фазовата трансформация и състава на добавките. Като оценяват тези елементи поотделно и откриват връзките между тях, които обясняват защо специфични аспекти от него показват висока топлопроводимост - знания, които след това могат да бъдат приложени за по-нататъшното му подобряване.

3. Висока скорост на превключване

Силициевият карбид, по-често наричан SiC, е химично съединение, съставено от силиций и въглерод, което може да се произвежда масово. В природата се среща като минерал моисанит и има полупроводникови свойства, но намира приложение като абразив, керамичен материал и суровина в металодобивната промишленост.

Силициевокарбидните транзистори предлагат по-големи възможности за блокиращо напрежение и по-ниско специфично съпротивление при включване от традиционните силициеви IGBT, което позволява по-високи скорости на превключване от силициевите им аналози и по този начин предлага на инженерите повече възможности за оптимизиране на системата за създаване на по-малки и по-леки конструкции с по-добра ефективност на преобразуване на енергията - включително такива, използвани като тягови инвертори за електрически превозни средства.

Въпреки че мощните полупроводници с широк диапазон на пропускане, като SiC, могат да предоставят много предимства, тези устройства имат и недостатъци. Един от основните проблеми при използването на такива полупроводници е тяхната неспособност да понасят високи температури - това води до проблеми като повишен ток на утечка в изключено състояние и намалена надеждност.

Инженерите използват най-съвременни технологии, които работят при по-високи честоти на превключване, предлагайки предимства като по-ниски загуби на проводимост, по-бързо превключване и повишена ефективност, които позволяват на енергийните системи да работят по-ефективно, да намалят размерите на пасивните компоненти за системите за съхранение на енергия и да поддържат редица приложения за крайно използване, като например инвертори за електромобили, защита на вериги и възобновяеми енергийни източници.

Технологиите с широка честотна лента, като SiC, имат потенциала да заменят традиционния силиций в някои приложения, въпреки че повишената им честота на превключване поставя някои уникални предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени чрез усъвършенствани производствени методи и прецизни инструменти за изпитване. В тази публикация в блога ще разгледаме основните съображения при избора на високоскоростни силови полупроводници, както и някои най-добри практики за ефективното им използване в проектите.

4. Ниско съпротивление при включване

Силицият се използва широко в електрониката, но когато се прилага за приложения с висока мощност, започва да показва своите ограничения. За сравнение, силициевият карбид предлага много по-широка лента на пропускане и работи при по-високи температури - осигурява по-голяма мощност и скорост, както и намалени изисквания за задвижване и подобряване на дизайна на схемите.

Това е от особено значение за високочестотни приложения, като например LLC с плавно превключване или TPPFC (корекция на фактора на мощността в преходна фаза). Устройствата с миноритарни носители често се използват за намаляване на съпротивлението при включване на IGBT при тези честоти; значителните им загуби при превключване и отделянето на топлина обаче ограничават използването им при по-високи честоти. Обратно, устройствата с мажоритарен носител (бариерни диоди на Шотки и MOSFET) в SiC полупроводниците позволяват по-високи номинални напрежения с намалени съпротивления при включване.

SiC полупроводниците се отличават с висока якост на пробив, което позволява по-тънки пластове на дрейф и съответно намалено съпротивление при включване в сравнение с металните им аналози, което осигурява идеални условия за бързи скорости на превключване. В съчетание с по-малката дължина на гейта, това прави SiC MOSFET подходящи за бързи скорости на превключване.

Чистият силициев карбид по природа е електрически изолатор; но чрез добавяне на примеси (допанти) или допиращи агенти към него той може да се превърне в електронен полупроводник. Допирането с азот и фосфор води до полупроводник от n-тип, докато допирането с берилий, бор, алуминий или галий може да създаде полупроводник от p-тип.

SiC MOSFET-ите предизвикаха драматична промяна в силовата електроника. Отличавайки се с по-високо блокиращо напрежение, по-кратко време на превключване и по-ниско съпротивление при включване в сравнение със силициевите си аналози, SiC MOSFET са водещи за бъдещите поколения устройства на силовата електроника.

5. Ниско разсейване на енергия

Силовите енергийни компоненти, като биполярните транзистори с изолиран затвор (IGBT) и силициевите суперсъединения, отдавна са надеждни източници на енергия, но когато са изложени на по-високи температури или честоти на превключване, започват да показват своите ограничения. Полупроводниците с широка лента на пропускане, като MOSFET от силициев карбид, предлагат революционни решения за ефективност, които могат да преодолеят тези ограничения.

Силициевият карбид (SiC) отдавна се използва като абразив за шлифовъчни дискове и керамика, но напоследък SiC намира широко приложение и като заместител на традиционните захранващи устройства на силициева основа в приложенията на мощната електроника. Тази забележителна промяна се дължи на изключителните физични и електронни свойства на SiC - сплав, съставена от силиций и въглерод.

Както е обичайно за съставните полупроводници, SiC проявява политипизъм, като се образуват различни кристални структури в зависимост от това как химичният му състав се променя в едно измерение. Политипът 4H-SiC е широко предпочитан за енергийни приложения поради близката си хексагонална атомна структура, която улеснява бързото време на превключване и възможностите за високо блокиращо напрежение.

Силициевите и SiC устройствата се различават по производителност главно поради широчината на лентата им на пропускане - количеството енергия, необходимо за преминаване от изолационно в проводящо състояние. По-широката разделителна ивица позволява по-бързо и ефективно да се пренася повече електрическа енергия - предимство, което е особено полезно за приложения с висока мощност, като например инвертори за електрическите превозни средства.

Друго ключово предимство е по-ниското термично съпротивление на SiC в сравнение с традиционните силициеви устройства, което позволява да се намалят индуктивните и капацитивните компоненти и по този начин да се намалят общите загуби на системата (включително загубите от проводимост и загубите на енергия при превключване). В полумостовия инвертор това може да доведе до по-висока ефективност, както и до по-ниска цена на системата.