Siliziumkarbid und Leistungselektronik

Siliziumkarbid, eine extrem harte synthetische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, wird seit langem als industrielles Schleifmittel, z. B. in Sandpapier oder Schleifscheiben, sowie als verschleißfeste Komponente in Pumpenlagern oder Industrieöfen verwendet. Auch für feuerfeste Auskleidungen ist es hervorragend geeignet.

Siliziumkarbid übertrifft sein Pendant aus Silizium in Bezug auf Hitzebeständigkeit und Haltbarkeit und bietet eine höhere Wärmeleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit.

Leistungselektronik

Siliziumkarbid ist ein zunehmend beliebter Werkstoff für Anwendungen in der Leistungselektronik geworden. Es kann höheren Spannungen und Temperaturen standhalten als herkömmliche Siliziumbauteile, was die Leistung und Zuverlässigkeit erhöht und gleichzeitig den Energieverbrauch senkt. Außerdem eignet es sich aufgrund seiner Eigenschaften für viele verschiedene Anwendungen.

Hersteller von Elektrofahrzeugen (EV) benötigen Komponenten, die hohen Temperaturen und Spannungen standhalten können, wie z. B. externe Batterieladegeräte, Gleichspannungswandler und Hybrid-Elektrofahrzeuge. Siliziumkarbid bietet gegenüber Siliziumhalbleitern Vorteile in Bezug auf einen höheren Wirkungsgrad, geringere Verlustleistung und größere Zuverlässigkeit und ist gleichzeitig eine kleinere und kostengünstigere Alternative.

SiC-Transistoren weisen auch breitere Bandlücken auf als ihre Silizium-Gegenstücke, was dazu beiträgt, Wärmeverluste zu minimieren und die Effizienz zu steigern. Dadurch können sie ähnliche Funktionen ausführen, verbrauchen aber weniger Strom für vergeudete Zwecke. Dies werden die Fahrer von Elektrofahrzeugen zu schätzen wissen, da sich dadurch die Reichweite erhöhen und die Batteriekosten durch kürzere Ladezeiten senken lassen.

Automobilindustrie

Siliziumkarbid-Chips bieten zahlreiche Vorteile für die Elektrofahrzeugindustrie. Sie können Spannungs- und Stromverluste reduzieren und gleichzeitig den thermischen Wirkungsgrad verbessern. Dies hilft den Automobilherstellern, die Größe und das Gewicht wichtiger Leistungselektronikkomponenten zu reduzieren, die zur Fahrstrecke beitragen, so dass Elektrofahrzeuge mit jeder Ladung weiter fahren können. Die Automobilhersteller haben diese Technologie übernommen, und ROHM Semiconductors ist mit an Bord, um Isolationslösungen anzubieten, die speziell für die Verwendung mit Siliziumkarbid-Designs in Batteriemanagementsystemen und Traktionskontrollinvertern mit Siliziumkarbid-Materialien entwickelt wurden.

Die Automobilhersteller haben erkannt, dass Halbleiter mit breiter Bandlücke in künftigen batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) eine wichtige Rolle spielen werden, und haben daher Milliarden investiert, um die Versorgung mit SiC-Chips für batteriebetriebene Autos sicherzustellen. Der deutsche Zulieferer ZF Group und Wolfspeed arbeiten derzeit gemeinsam am Aufbau einer Produktionsanlage speziell für SiC-Chips; Bosch, der weltweit führende Teilehersteller, kaufte 2023 TSI Semiconductors in Roseville, Kalifornien, und plant, seine Produktionsanlage von anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen auf 200-mm-Siliziumwafern auf die Herstellung von SiC-MOSFETs bis 2026 umzustellen.

Auch andere Chiphersteller investieren verstärkt in Siliziumkarbidtechnologien. Rohm Semiconductors ist einer dieser Chiphersteller, der seine Investitionen verstärkt. Rohm bietet Produkte an, die auf Siliziumkarbid basierende Leistungsdesigns unterstützen, wie MOSFETs, isolierte Leistungstransistoren, Module, Batteriemanagementsysteme und Traktionskontrollwechselrichter, um nur einige Anwendungen zu nennen, bei denen seine Produkte erhebliche Kosten- und Leistungsvorteile bieten; sie konzentrieren sich besonders auf Hochspannungsanwendungen, bei denen ihre Produkte erhebliche Kosten-/Leistungsvorteile bieten.

Eisenbahntransit

Siliziumkarbidchips können in Anwendungen des Schienenverkehrs die Effizienz und Leistungsdichte von Stromversorgungsgeräten erhöhen, Gewicht und Volumen verringern und gleichzeitig zur Senkung der Betriebs- und Wartungskosten beitragen. Sie eignen sich besonders gut für Anwendungen mit Antriebsumrichtern, die hohen Temperaturen standhalten müssen. Siliziumkarbid-Chips sind hier eine ideale Lösung, denn diese vielseitigen Chips aus Silizium-Kohlenstoff-Gemischen können bis zu 500 °C arbeiten - perfekt für Solarenergie oder den Schienenverkehr!

Siliziumkarbid-Halbleiter verfügen über eine breitere Bandlücke, die es ihnen ermöglicht, bei höheren Frequenzen und Spannungen zu arbeiten als ihre Silizium-Gegenstücke, wodurch sie mehr Leistung bei geringeren Verlusten liefern und eine geringere Sättigungsdrift aufweisen als herkömmliche Silizium-Chips.

Mit der zunehmenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen steigt auch der Bedarf an Hochleistungskomponenten. Dazu gehört auch die Erhöhung der Motorleistung, um die Beschleunigungsanforderungen zu erfüllen - oft als "Ludicrous Mode" bezeichnet. Hierfür können leistungsfähigere Kondensatoren und eine robuste elektrische Verkabelung erforderlich sein, um diesen Bedarf zu decken.

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) aus Siliziumkarbid (SiC) sind inzwischen in großem Umfang verfügbar und eignen sich für Traktionswechselrichter, da sie geringere Schalt- und Leitungsverluste aufweisen, was zu geringeren Leistungsverlusten im Gesamtsystem führt - und damit die Strombetriebskosten erheblich senkt.

Industrielle Anwendungen

Siliziumkarbid hat sich als vielversprechendes Halbleitermaterial für Hochleistungsanwendungen erwiesen, insbesondere für die Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen und für Instrumente von Raumfahrt-Rovern (Mantooth, Zetterling & Rusu). Siliziumkarbid hat eine größere Bandlücke als herkömmliche Silizium-Halbleiter und funktioniert bei viel höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen, was es zu einer attraktiven Alternative zu Silizium macht. Es kann bei höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen arbeiten als herkömmliche Siliziumhalbleiter (die eine geringere Bandlücke haben). Die Leistung von Siliziumkarbid macht es auch zu einer attraktiven Alternative für anspruchsvolle Anwendungen wie die Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen oder Instrumente für die Weltraumforschung (Mantooth Zetterling & Rusu).

Siliziumkarbid wurde erstmals industriell als Leuchtdioden und Detektoren in frühen Radios eingesetzt, die beide hohe Betriebstemperaturen und -spannungen erfordern. MOSFETs aus Siliziumkarbid wurden erstmals in den 1970er und 1980er Jahren kommerziell angeboten. Sie weisen eine ineinandergreifende Struktur auf, die aus p-Typ-Halbleitern besteht, die von Oxid-Isolierschichten mit dazwischen liegenden Gate-Elektroden umgeben sind. Aufgrund ihrer geringen Widerstandseigenschaften ermöglichten Siliziumkarbid-Chips den Stromfluss bei höheren Temperaturen und geringeren Leistungsverlusten.

Leistungsbauelemente aus Siliziumkarbid revolutionieren die Stromversorgung von Elektrofahrzeugen, da sie eine höhere Wärmeleistung vertragen, länger halten und energieeffizienter sind als Halbleiter aus Silizium-Leistungstransistoren. Daher entscheiden sich viele Hersteller von Elektrofahrzeugen für Siliziumkarbid-Bauteile, um Kosten und Gewicht der Fahrzeuge zu reduzieren.

Die SiC-Basiswafer und Halbleiterlösungen von Wolfspeed bieten Entwicklern von Stromversorgungssystemen alles, was sie brauchen, um jedes Stromversorgungssystem auf die Siliziumkarbidtechnologie umzustellen. Allein durch den Einbau von Wolfspeed-SiC-Leistungstransistoren in Servern können 40% an Kühlenergiekosten eingespart werden.