Halvleder af siliciumcarbid

Halvledere af siliciumcarbid har flere fordele, som gør dem til et attraktivt alternativ til siliciumbaserede enheder, herunder evnen til at håndtere høje spændinger, forbedre den termiske effektivitet og reducere størrelsen/vægten af effektelektroniske enheder i elektriske køretøjer.

SiC findes naturligt i moissanit-ædelstene og kimberlitaflejringer, men det meste produceres syntetisk til brug i elektroniske komponenter, strømforsyninger og atomreaktorer.

Bredt båndgab

Siliciumcarbid (SiC) er et banebrydende halvledermateriale med et ekstremt bredt båndgab, der gør det muligt for SiC-enheder at håndtere højere spændinger og strømme end deres siliciumbaserede modstykker, hvilket gør dem velegnede til effektelektronik som f.eks. invertere til elbiler og uafbrydelige strømforsyninger.

Halvledere er materialer, der skiftevis opfører sig som ledere (som elektriske ledninger af kobber) og isolatorer (som polymerisolering på disse ledninger). Halvlederes båndgab er en energibarriere mellem deres valensbånd (valensbånd) og ledningsbånd (ledningsbånd). Båndgabet gør det muligt for halvlederenheder at slå strøm til eller fra, som det kræves af kredsløb.

Bredden af et båndgab afhænger af størrelsen og styrken af de atomare bindinger i materialet samt af temperaturen. Et bredere båndgab kræver større elektriske felter for at ophidse bærere; derfor er det velegnet til højspændingsapplikationer. Materialer med bredt båndgab udviser også lavere ledningstab end tilsvarende siliciummaterialer.

Ifølge det amerikanske energiministerium vil wide-bandgap-halvledere blive en integreret del af vedvarende energisystemer som sol og vind. Desuden vil wide-bandgap-halvledere være med til at fremme en hurtigere indførelse af elektriske køretøjer, gøre det lettere at digitalisere kraftindustriens processer, reducere livscyklusomkostningerne mere markant, gøre WBG-kraftelektronik mindre, hurtigere, mere pålidelig og mere omkostningseffektiv end deres siliciumbaserede modstykker og tilbyde flere andre potentielle fordele, der gør WBG-kraftelektronik til et attraktivt alternativ til siliciumkraftelektronik.

Høj effekttæthed

Effekthalvledere af siliciumcarbid har bevist deres modstandsdygtighed over for højere spændinger, lavere temperaturer og længere levetid end deres modstykker af silicium (Si). Desuden kan SiC-enheder kombineres til mindre strømforsyninger med større effekttæthed, hvilket gør dem til det ideelle valg til effektelektronik, der forbinder vores verden i dag og i fremtiden.

Siliciumcarbidhalvledere har brede båndgab, der gør det muligt for dem at flytte elektrisk energi mere effektivt end traditionelle siliciumenheder, idet de skifter hurtigt mellem ledere og isolatorer og minimerer skiftetab, hvilket fører til hurtigere konvertering af elektricitet, lavere energiomkostninger og reducerede konverteringstab - hvilket gør dem perfekte til brug i strømforsyninger til datacentre, vind- og solenergimoduler og omformere til elbiler.

I takt med at efterspørgslen efter vedvarende energi stiger, stiger også behovet for pålidelige strømkilder. Strømforsyninger med halvledere af siliciumkarbid giver energibesparelser, samtidig med at de forbedrer effektiviteten af vedvarende energisystemer ved at have høj skiftefrekvens og temperaturkapacitet.

Uanset om det er til en industriel applikation eller batteridrevet teknologi, leverer Wolfspeed avancerede effekthalvlederløsninger, der er designet og fremstillet ved hjælp af SiC-teknologi - i tæt samarbejde med Astrodyne TDI om innovative designs til selv de mest udfordrende applikationer.

Lav modstand ved tænding

Halvledere af siliciumcarbid har højere blokeringsspænding end deres modstykker af silicium, hvilket gør dem bedre i stand til at håndtere større strømme og koblingstab og dermed forbedre effektiviteten af strømkonverteringen og gøre dem egnede til højspændingsapplikationer som f.eks. traktionsomformere i elektriske køretøjer.

Siliciumcarbid adskiller sig fra almindelige siliciumhalvledere ved at have et bredere båndgab end andre materialer som f.eks. galliumnitrid (GaN). Et bredere båndgab gør det muligt for SiC at flytte elektrisk energi mere effektivt - ideelt til højspændingsapplikationer, da det også kan modstå høje temperaturer og strålingseksponering.

Siliciumcarbid har en ekstremt lav tændingsmodstand, der tænder og slukker på mindre end 10 nanosekunder - en uvurderlig kvalitet til højhastighedsapplikationer, da det reducerer energitabet og samtidig fremskynder driften. Desuden har siliciumcarbid en lav temperaturafhængighed, så det kan fungere ved højere temperaturer end traditionelle halvledere.

Siliciumcarbid skiller sig ud fra traditionelle halvledermaterialer ved, at dets smeltepunkt er langt lavere, og at det er meget modstandsdygtigt over for korrosion fra salte og syrer, hvilket gør det perfekt til barske miljøer som f.eks. marine applikationer. Siliciumkarbidets fordele har ført til, at det i stigende grad bruges i elektroniske apparater, da det har potentiale til at forlænge køreafstandene gennem øget effektivitet i traktionsomformere - en af grundene til, at det endda kan øge køreafstandene for elektriske køretøjer!

Pålidelighed

Siliciumcarbid (SiC) er en uorganisk kemisk forbindelse, der består af silicium og kulstof. SiC forekommer naturligt som moissanit-sten og masseproduceres som pulver eller enkeltkrystaller til brug som slibemiddel. SiC findes også i skudsikre veste; når det dopes med aluminium, bor, gallium eller kvælstof, bliver det dopet, så det opfører sig mere som et halvledermateriale og skaber halvlederområder af P-type eller N-type, som er nødvendige for at fremstille enheder.

SiC's pålidelighed er et afgørende aspekt af dets anvendelse som power-enheder med bredt båndgab i højtydende applikationer, i modsætning til dets mere almindelige forgænger, silicium. SiC tilbyder højere spændinger, koblingsfrekvenser og lavere parasitære effekter end silicium, men der er visse vigtige overvejelser, når man skal vurdere dens pålidelighed.

Pålidelighedstest og modeller til forudsigelse af levetid er vigtige værktøjer til at estimere den forventede livscyklus for siliciumcarbid-enheder. Industriens tests sigter typisk mod at presse dem ud over deres maksimale spænding eller strømstyrke så længe som muligt, hvilket belaster dem unødigt og resulterer i slitage, som giver data til at forudsige den gennemsnitlige tid til svigt (MTTF).

Producenterne skal også være meget opmærksomme på kosmiske stråler, som kan forårsage korrosionsskader i el-enhedernes oxidlag. Det er især vigtigt i luft- og rumfart, hvor strålingsniveauet kan være tre gange så højt som i industriens standardhøjder.