Siliciumkarbid: En gamechanger for halvlederenheder

Siliciumcarbid (SiC) har fået et comeback som et vigtigt teknologisk materiale på grund af dets fremragende fysiske og elektriske egenskaber. SiC bruges i elektriske køretøjer (EV'er) til højspændingsdrift med hurtigere skift og reduceret strømtab.

SiC kan findes naturligt som det sjældne mineral moissanit og i visse meteoritter og kimberlit, men det meste fremstilles syntetisk ved hjælp af enten reaktionsbinding eller sintringsprocesser.

Lav tæthed

SiC er meget lettere end silicium med en massefylde på 1,33 g/cm3; desuden har det en overlegen stivhed og varmeledningsevne, hvilket gør det til det ideelle materiale til applikationer, der kræver både styrke og letvægtskomponenter.

SiC's lave varmeudvidelse gør det velegnet til anvendelser, der kræver høj pålidelighed under barske forhold, mens dets inerti over for mange kemikalier og opløsningsmidler gør det meget modstandsdygtigt over for kemisk slid - en uundværlig egenskab i moderne lapidarium. Desuden er SiC inert over for kemisk slitage, hvilket gør det til et vigtigt materiale i moderne bearbejdningsprocesser med slibemidler.

SiC-halvlederenheder kan produceres gennem forskellige processer, herunder sintring, reaktionsbinding, krystalvækst og kemisk dampaflejring (CVD). SiC har en lav massefylde og samtidig fremragende stivhedsegenskaber og er velegnet til driftstemperaturer helt op til 300o C.

Market Research Future har forudsagt, at strømhalvlederindustrien vil opleve et eksponentielt voksende indtægtsløft på grund af stigende SiC-efterspørgsel som følge af 5G trådløse netværks behov for højere ydeevne og mere energieffektive halvledere.

SiC-halvledere er mere energieffektive end deres modstykker i silicium og kan reducere omkostningerne betydeligt. Deres wide bandgap-teknologi giver færre tab og lavere opvarmning i elektronikken, hvilket fører til forbedret energieffektivitet - en vigtig egenskab ved indførelse af elektriske køretøjer, da det vil reducere batteristørrelsen, motoromkostningerne og inverteromkostningerne.

Modstandsdygtighed over for høje temperaturer

Siliciumcarbid (SiC) er et af de stærkeste menneskeskabte materialer og kan modstå højere temperaturer end traditionelle halvledere, hvilket muliggør mindre og lettere power-enheder, der forbedrer energieffektiviteten og samtidig reducerer produktionsomkostningerne. Desuden kan SiC-enheder designes med lavere effekttab og hurtigere koblingshastigheder for større enhedspræstation.

SiC er generelt en isolator i ren tilstand, men når det dopes med urenheder, skabes der frie ladningsbærere, og det får halvledende egenskaber (kendt som doping). Når SiC er dopet, kan det laves til transistorer, der omdanner elektrisk strøm til nyttig output, hvilket gør mere kraftfulde komponenter mere omkostningseffektive og attraktive for slutbrugerne.

SiC er et fremragende materialevalg til højtydende strømapplikationer som RF-kommunikation - nu den dominerende standard inden for IoT - takket være det brede båndgab, der muliggør højfrekvent drift ved lavere spændinger for forbedret strømtæthed og reduceret tab.

SiC er et vigtigt materiale inden for effektelektronik, og det er allerede blevet anvendt i invertere til elbiler til at erstatte traditionelle siliciumhalvledere og forbedre batteriets ydeevne og øge sikkerheden. Det bliver allerede brugt som en vigtig måde at modernisere bilinvertere på.

Bredt båndgab

Siliciumcarbidets brede båndgab gør det muligt for enheder fremstillet af det at fungere ved højere temperaturer - en fordel i applikationer som energiproduktion og -transmission. Desuden gør det brede båndgab det også muligt for enheder fremstillet af siliciumcarbid at modstå meget højere spændinger end traditionelle halvledere.

Siliciumcarbidets overlegne hårdhed og stivhed gør det til et fremragende materiale til fremstilling af spejle til astronomiske teleskoper. Siliciumcarbid er meget modstandsdygtigt over for termisk chok og kan laves til store skiver, der måler op til 3,5 meter (11,5 fod). Som ikke-oxidkeramik kan det formes enten via reaktionsbinding eller sintringsprocesser, som i høj grad påvirker dets mikrostruktur og egenskaber.

Silicium og kulstof er blandt de fire hyppigst forekommende grundstoffer i naturen, men siliciumcarbid forekommer kun sjældent i naturen, og man finder kun små spor af det i stenaflejringer eller meteoritter. Ikke desto mindre kan det let fremstilles syntetisk og har længe været brugt som slibemiddel og ædelstenssimulator (carborundum).

Moderne metoder til fremstilling af siliciumcarbid til brug i slibemidler, metallurgi og ildfaste industrier anvender en blanding af rent siliciumsand blandet med kulstof i form af fintmalet koks, som derefter placeres omkring en elektrisk modstandsovns murstensleder og opvarmes ved høje temperaturer, indtil der finder kemiske reaktioner sted, som producerer siliciumcarbid samt kuliltegas.

Høj effektivitet

I takt med at verden indfører en energirevolution med elektriske køretøjer og vedvarende energikilder, er efterspørgslen efter avancerede halvlederenheder, der er mindre, hurtigere og mere energieffektive, steget kraftigt. Mens traditionelle siliciumchips kæmper for at imødekomme denne efterspørgsel, giver wide bandgap-teknologier som SiC og galliumnitrid betydelige fordele i forhold til deres modstykker.

Siliciumkarbids evne til at arbejde ved højere temperaturer, frekvenser og spændinger giver designerne mulighed for at maksimere ydelsen og samtidig reducere kredsløbsstørrelserne - hvilket fører til reducerede samlede omkostninger. Desuden hjælper siliciumkarbidens varmeafledningsegenskaber med at sænke de samlede systemtemperaturer for forbedret effektivitet og øget pålidelighed.

Siliciumcarbidbaserede enheder har også højere grænser for kritiske elektriske felter end deres siliciumbaserede modstykker, så de kan håndtere betydeligt større strømme med reducerede koblingstab og dermed forbedre enhedens effektivitet og ydeevne betydeligt.

Siliciumcarbids unikke egenskaber gør det til et ideelt materiale til halvlederenheder, der bruges i forskellige applikationer, herunder elektriske køretøjer (EV), solenergiproduktion og energilagringssystemer. Market Research Future forudser, at siliciumkarbid-enheder vil føre til omsætningsvækst i løbet af de næste fem år i dette segment på grund af stigende efterspørgsel efter ren energi kombineret med dets effektivitet, reducerede omkostninger og mindre størrelse, der kan revolutionere transport, kommunikation og energiproduktion.