polovodič z karbidu křemíku

Karbid křemíku nabízí několik výhod, které z něj činí atraktivní alternativu k zařízením na bázi křemíku, včetně jeho schopnosti zpracovávat vysoká napětí, zvyšovat tepelnou účinnost a snižovat velikost/hmotnost výkonových elektronických zařízení v elektrických vozidlech.

SiC se přirozeně vyskytuje v drahokamech moissanitu a v ložiscích kimberlitu, ale většina se vyrábí synteticky pro použití v elektronických součástkách, zdrojích energie a jaderných reaktorech.

Široká pásmová propust

Karbid křemíku (SiC) je průkopnický polovodičový materiál s extrémně širokým pásmovým rozpětím, který umožňuje zařízením SiC zpracovávat vyšší napětí a proudy než jejich protějšky na bázi křemíku, což je činí vhodnými pro výkonovou elektroniku, jako jsou trakční měniče pro elektrická vozidla a zdroje nepřerušovaného napájení.

Polovodiče jsou materiály, které se střídavě chovají jako vodiče (jako měděné elektrické vedení) a izolátory (jako polymerová izolace tohoto vedení). Pásová propast polovodičů je energetická bariéra mezi jejich valenčním pásem ( valenční pás ) a vodivostním pásem ( vodivostní pás ). Pásová propust umožňuje polovodičovým zařízením zapínat nebo vypínat proud podle požadavků obvodů.

Šířka pásu závisí na velikosti a síle atomových vazeb v materiálech a také na teplotě. Širší pásová mezera vyžaduje k excitaci nosičů větší elektrické pole, a proto je vhodná pro vysokonapěťové aplikace. Širokopásmové materiály také vykazují nižší ztráty při vedení než křemíkové protějšky.

Podle amerického ministerstva energetiky se širokopásmové polovodiče stanou nedílnou součástí systémů obnovitelných zdrojů energie, jako jsou solární a větrné elektrárny. Širokopásmové polovodiče navíc pomohou usnadnit rychlejší zavádění elektromobilů, snadněji digitalizovat procesy v energetice, výrazněji snížit náklady na životní cyklus, učinit výkonovou elektroniku WBG menší, rychlejší a spolehlivější, nákladově efektivnější než její protějšky na bázi křemíku a nabídnout několik dalších potenciálních výhod, které z výkonové elektroniky WBG činí atraktivní alternativu k výkonové elektronice na bázi křemíku.

Vysoká hustota výkonu

Výkonové polovodičové součástky z karbidu křemíku prokázaly svou odolnost při vyšších napětích, nižších teplotách a delší životnost než jejich křemíkové (Si) protějšky. Kromě toho lze SiC zařízení spojovat do menších napájecích zdrojů s vyšší hustotou výkonu, což z nich činí ideální volbu pro výkonovou elektroniku, která spojuje náš svět dnes i v budoucnosti.

Polovodiče z karbidu křemíku se vyznačují širokými pásmovými mezerami, které jim umožňují přenášet elektrickou energii efektivněji než tradiční křemíkové součástky, rychleji přepínat mezi vodiči a izolátory a minimalizovat spínací ztráty, což vede k rychlejší konverzi elektrické energie, nižším nákladům na energii a menším ztrátám při konverzi - díky tomu jsou ideální pro použití v napájecích zdrojích datových center, modulech větrné/solární energie a měničích pohonu elektrických vozidel.

S rostoucí poptávkou po obnovitelných zdrojích energie roste i potřeba spolehlivých zdrojů energie. Křemíkové polovodičové zdroje nabízejí úspory energie a zároveň zvyšují účinnost systémů obnovitelné energie díky vysoké spínací frekvenci a teplotním možnostem.

Bez ohledu na to, zda se jedná o průmyslové aplikace nebo technologie napájené z baterií, společnost Wolfspeed poskytuje pokročilá výkonová polovodičová řešení navržená a vyrobená pomocí technologie SiC - úzce spolupracuje s Astrodyne TDI na inovativních návrzích i pro ty nejnáročnější aplikace.

Nízký zapínací odpor

Polovodiče z karbidu křemíku mají vyšší blokovací napětí než jejich křemíkové protějšky, takže lépe zvládají větší proudové toky a spínací ztráty, čímž zvyšují účinnost přeměny energie a jsou vhodné pro vysokonapěťové aplikace, jako jsou trakční měniče v elektrických vozidlech.

Karbid křemíku se od standardních křemíkových polovodičů liší tím, že má širší pásovou mezeru než jiné materiály, například nitrid galia (GaN). Širší pásová mezera umožňuje SiC efektivněji přenášet elektrickou energii - je ideální pro vysokonapěťové aplikace, protože odolává i vysokým teplotám a záření.

Karbid křemíku se může pochlubit extrémně nízkým zapínacím odporem, který se zapíná a vypíná za méně než 10 nanosekund, což je neocenitelná vlastnost pro vysokorychlostní aplikace, protože snižuje energetické ztráty a zároveň urychluje provoz. Karbid křemíku má navíc nízkou teplotní závislost, což mu umožňuje pracovat při vyšších teplotách než tradiční polovodiče.

Karbid křemíku se od tradičních polovodičových materiálů liší tím, že má mnohem nižší teplotu tání a je vysoce odolný vůči korozi způsobené solemi a kyselinami, takže je ideální pro drsná prostředí, jako jsou námořní aplikace. Výhody karbidu křemíku vedly k jeho rostoucímu využití v elektronických zařízeních, protože má potenciál prodloužit dojezdové vzdálenosti díky vyšší účinnosti trakčních měničů - jeden z důvodů, proč by mohl dokonce prodloužit dojezdové vzdálenosti elektromobilů!

Spolehlivost

Karbid křemíku (SiC) je anorganická chemická sloučenina složená z křemíku a uhlíku. Přirozeně se vyskytuje jako drahokam moissanit a masově se vyrábí jako prášek nebo jednotlivé krystaly pro použití jako brusivo. SiC se také nachází v neprůstřelných vestách; po dopování hliníkem, borem, heliem nebo dusíkem se začne chovat více jako polovodičový materiál; vytváří polovodičové oblasti typu P nebo N potřebné pro výrobu zařízení.

Spolehlivost SiC je klíčovým aspektem pro jeho použití jako výkonového zařízení se širokým pásmem ve vysoce výkonných aplikacích, na rozdíl od jeho běžnějšího předchůdce křemíku. SiC nabízí vyšší napětí, spínací frekvence a nižší parazitní efekty než křemík, avšak při posuzování jeho spolehlivosti je třeba brát v úvahu určité důležité aspekty.

Testování spolehlivosti a modely předpovědi životnosti jsou zásadními nástroji pro odhad očekávané životnosti výkonových zařízení z karbidu křemíku. Cílem průmyslových testů je obvykle co nejdéle překračovat jejich maximální jmenovité napětí nebo proud, což je nadměrně zatěžuje a vede k opotřebení, které poskytuje údaje pro předpověď střední doby do poruchy (MTTF).

Výrobci musí také věnovat velkou pozornost kosmickému záření, které může způsobit poškození oxidových vrstev výkonových zařízení korozí. To je zvláště důležité v leteckém průmyslu, kde může úroveň záření dosahovat až trojnásobku úrovně pozorované v běžných průmyslových výškách.