Siliziumkarbid-Halbleiter

Siliziumkarbid-Halbleiter sind unkonventionelle Halbleiter mit breiter Bandlücke, die gegenüber ihren Silizium-Gegenstücken zahlreiche Vorteile aufweisen, darunter höhere Betriebstemperaturen, schnellere Schaltfrequenzen und geringere Bauelementeverluste.

Hochtemperatur

Siliziumkarbid (SiC) ist ein extrem hartes und hitzebeständiges Halbleitermaterial, das in rauen Umgebungen gedeiht, in denen die meisten elektronischen Geräte nicht funktionieren können, z. B. bei hohen Temperaturen, extremen Vibrationen, feindlichen chemischen Medien und Strahlung. SiC-Sensoren und -Elektronik, die diesen extremen Bedingungen standhalten, könnten viele Systeme revolutionieren - von der Energieübertragung für Elektroautos und öffentliche Versorgungseinrichtungen bis hin zu leistungsfähigeren Mikrowellen für Radar- und Mobiltelefonanwendungen.

Eine Methode zur Herstellung von SiC ist das Lely-Verfahren. Dabei wird SiC-Pulver bei hohen Temperaturen in Silizium, Kohlenstoff und Siliziumdicarbid sublimiert und dann als flockenartige Einkristalle bei 2500 Grad Celsius abgeschieden, bevor es auf Substrate aufgebracht wird; das Ergebnis sind hochwertige 6H-SiC-Einkristalle mit einer Größe von bis zu 2 cm2.

Es gab mehrere Niederdruck-Polytypen von SiC, darunter 3C, 4H, 15R und 21R. Jeder Polytyp wies starke Phononmoden mit ähnlichen Strukturen auf. Forscher untersuchten die Druckabhängigkeit der Absorptionskanten; eine Untersuchung von stickstoffdotiertem 6H-SiC ergab, dass die Bandlücke eine unveränderliche negative Druckableitung aufweist; dieses Ergebnis bestätigte theoretische Berechnungen.

Hochspannung

Hochspannungsbauteile wie Halbleiter, Dioden und IGBTs sind wichtige Komponenten für Anwendungen, die von der Motorsteuerung über Solarwechselrichter und Batterieladegeräte bis zum Motorsport reichen. Leider erfordert ihr großer Platzbedarf jedoch eine erhebliche Wärmeabgabe, was zu erheblichen Leitungsverlusten führt. Die Verwendung von Siliziumkarbid (SiC)-Bauteilen kann die Schaltverluste verringern und gleichzeitig die Zuverlässigkeit durch höhere Sperrspannungen und geringere Leitungsverluste erhöhen.

SiC unterscheidet sich von Silizium durch eine wesentlich höhere elektrische Durchschlagsfeldstärke, wodurch es höhere Betriebstemperaturen ohne Leistungseinbußen erreichen kann. Dies macht SiC zu einer ausgezeichneten Wahl für Hochspannungs-Leistungsbauelemente wie IGBTs, SB-Dioden und MOSFETs; außerdem ist es durch seine dreimal breitere Bandlücke besser für extreme Bedingungen geeignet als Silizium.

Mehrere Unternehmen haben Siliziumkarbid-MOSFETs (WBG) mit breiter Bandlücke entwickelt, die speziell für Wechselrichter in der Automobil- und Industrietechnik konzipiert sind. Sie zeichnen sich durch einen Schaltpunkt von 650 V und einen der niedrigsten Durchlasswiderstände pro Fläche aus, die bei Bauelementen dieser Klasse verfügbar sind. Der SiC-MOSFET NTH4L015N065SC1 von ON Semiconductor verfügt über einen internen Gate-Widerstand, der externe Widerstände in Ansteuerungsschaltungen eliminiert und so schnellere Schaltzeiten ermöglicht.

Hochfrequenz

Hochfrequenz-Siliziumkarbid-Halbleiter hatten im Jahr 2021 einen beträchtlichen Marktanteil, und es wird erwartet, dass sie während des Prognosezeitraums weiter wachsen werden, da ihre breite Bandlücke dazu beiträgt, den Leistungsverlust und die Zuverlässigkeit für Hochgeschwindigkeitsschaltanwendungen zu verringern. Siliziumkarbid hat auch viele Anwendungen im Schienenverkehr und in Elektrofahrzeugen, wo seine Bauelemente dazu beitragen, die Größe und das Gewicht der Ausrüstung zu reduzieren, um die Betriebskosten zu senken und die Effizienz zu verbessern - wie z. B. die Verbesserung der Zuverlässigkeit der japanischen Shinkansen-Züge durch ihre Verwendung als Traktionswandler.

Halbleiterbauelemente aus Siliziumkarbid haben in den letzten Jahren aufgrund der zunehmenden Bemühungen um Nachhaltigkeit und Elektrifizierung ein enormes Wachstum erfahren und bieten bei Hochspannungs-/Frequenzanwendungen eine bessere Leistung als Silizium und Siliziumarsenid. Galliumnitrid (GaN) spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei Halbleiterbauelementen der dritten Generation und bietet bei Hochspannungs-/Frequenzanwendungen mehr Möglichkeiten als Silizium.

Siliciumcarbid (SiC) ist eine Legierung, die aus Silicium und Kohlenstoff besteht. Diese chemische Verbindung weist starke kovalente Bindungen auf, die denen von Diamanten ähneln. SiC wird durch die Kombination von Siliziumdioxid und Kohlenstoff in einem Elektroofen bei hohen Temperaturen hergestellt; die Bandlücke wurde mit 3,26 eV gemessen. Außerdem kann SiC bei höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen arbeiten als Silizium.

Leistungsstarke

Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid bieten hohe Leistungsfähigkeiten und tragen gleichzeitig dazu bei, Gewicht, Größe und Kosten elektronischer Geräte zu reduzieren. Aufgrund ihrer Temperatur- und Spannungstoleranz eignen sie sich für Ladesäulen, Rechenzentren und andere anspruchsvolle Anwendungen - insbesondere für Elektrofahrzeuge. Darüber hinaus sind sie aufgrund ihrer schnelleren Schaltfähigkeit und ihres geringeren Durchlasswiderstandes eine bessere Wahl als Silizium-Bauelemente. Dies ist besonders wichtig, wenn man an künftige Anwendungen im Schienenverkehr denkt, bei denen die Lastaufnahmekapazität ein wichtiger Wachstumsfaktor sein wird.

Siliciumcarbid, auch als Moissanit bezeichnet, wurde erstmals vor über 4,6 Milliarden Jahren in Meteoriten entdeckt. Heute wird es in geringen Mengen für die Verwendung als Edelstein aus der Erde gewonnen, der größte Teil wird jedoch künstlich hergestellt; am häufigsten wird es für die Herstellung von Edelsteinschmuck mit Stickstoff- oder Phosphor-Dotierstoffen und für die Schmuckherstellung mit Beryllium-, Bor- oder Aluminium-Dotierstoffen dotiert. Siliciumcarbid kann auch mit Stickstoff- und Phosphor-Dotierstoffen vom n-Typ dotiert werden, während seine harte, farblose Oberfläche eine Dotierung mit Dotierstoffen ermöglicht, die sowohl eine Dotierung vom n-Typ als auch vom p-Typ zulässt, je nachdem, ob die Dotierung auf natürliche Weise erfolgt oder künstlich hergestellt wird - ähnlich wie bei Diamantschmuck. Siliziumkarbid kann auch künstlich als Moissanit-Juwelen aus Meteoriten hergestellt werden, die vor über 4,6 Milliarden Jahren entstanden sind! Es kann dann für die Schmuckherstellung verwendet werden. Das meiste Siliziumkarbid kann seither auch künstlich hergestellt werden! Farblose harte Substanz, die je nach gewünschter Anwendung entweder mit Stickstoff oder Phosphor und p-dotiert mit Beryllium, Bor oder Aluminium dotiert werden kann! Siliziumkarbid wurde erstmals in Meteoriten von der Erde entdeckt, die bereits vor Vor 4,6 Milliarden Jahren! Vor 4,6 Milliarden Jahren! Vor 4,6 Milliarden Jahren...

SiC ist eine innovative Verbindung aus Silizium (Ordnungszahl 14) und Kohlenstoff (Ordnungszahl 6), die durch starke kovalente Bindungen verbunden sind und eine chemische Verbindung mit hexagonaler Struktur bilden, die eine extrem große Bandlücke aufweist - dreimal größer als herkömmliches Silizium! Darüber hinaus weist es einzigartige elektrische Eigenschaften auf, die es für bestimmte Anwendungen interessant machen können.

Niedrige Temperaturen

Siliziumkarbid ist ein industrielles Material, das hohen Temperaturen und Spannungen standhalten kann, was es zur perfekten Materialwahl für Leistungshalbleiter macht. Aufgrund seiner Langlebigkeit und seines langfristigen Betriebs führt die Verwendung dünnerer Wafer zu einer höheren Effizienz, während seine Zuverlässigkeit einen langfristigen Betrieb und eine längere Nutzungsdauer ermöglicht. Darüber hinaus zeichnet sich Siliziumkarbid durch eine geringe Wärmeausdehnung aus und ist chemisch inert.

Hartes und korrosionsbeständiges Siliciumcarbid ist ein ausgezeichnetes Schleifmaterial und wird in großem Umfang zum Schneiden von feuerfesten Materialien wie Hartguss, Marmor und Granit, zum Schleifen von Elektrostahl, für Karborundum-Drucktechniken (mit trockenem, körnigem Siliciumcarbid zum Drucken von Bildern), für Karborundum-Drucktechniken und für die Herstellung von Karborundum-Papier sowie für die Herstellung von Schleifpapierprodukten verwendet.

Natürlicher Moissanit ist nur in sehr geringen Mengen in Meteoriten, Korundvorkommen und Kimberlit zu finden. Der meiste im Handel erhältliche Moissanit wird synthetisch hergestellt, indem Kohlenstoff in geschmolzenem Silizium aufgelöst wird, um Alpha-Siliziumkarbid zu bilden, das sich mit Aluminiumoxid zu Karborund oder b-SiC verbindet, das als Karborund bekannt ist. Diese stabile Verbindung weist die kubische Struktur eines Diamanten mit halb gefüllten SiC-Tetraedern auf, die eine gute Leitfähigkeit bietet, da sie einen ähnlichen Atomradius wie andere Diamantkristalle hat und einen hohen Schmelzpunkt aufweist.

Niederspannung

Siliziumkarbid-Halbleiter haben sich aufgrund ihrer Effizienz, Langlebigkeit und Kühlungseigenschaften in der Leistungselektronikindustrie weithin durchgesetzt. Sie werden in großem Umfang in Leistungswandlern, EV-Ladegeräten, Solarwechselrichtern, Motorantrieben und Motorsteuerungen sowie in Umgebungen mit höheren Temperaturen/Spannungen als herkömmliche Silizium-Bauelemente eingesetzt - insbesondere dank der geringeren Einschaltwiderstände und Schaltverluste, die für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet sind.

Es wird erwartet, dass sich Leistungshalbleiter aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile gegenüber herkömmlichen Bauelementen zu einer wesentlichen Technologie für Automobilanwendungen entwickeln werden. Sie zeichnen sich durch eine größere Bandlücke aus, die den Betrieb über ein breiteres Temperatur- und Spannungsspektrum ermöglicht, sowie durch geringeren Energieverbrauch und geringeres Gewicht.

SiC kann IGBTs und bipolare Transistoren, die hohe Durchbruchspannungen und hohe Schaltverluste aufweisen, durch schneller schaltende Bauelemente ersetzen, die einen geringeren Durchlasswiderstand haben, was zu einer geringeren Verlustleistung und Wärmeentwicklung führt. Die breite Bandlücke von SiC ermöglicht es diesen Bauelementen, schneller zu schalten und gleichzeitig einen geringeren Durchlasswiderstand zu bieten, der die Wärmeentwicklung und den Leistungsverlust reduziert.

Siliciumcarbid ist ein amorphes natürliches Material, das in extrem seltenen Formen wie z. B. in Moissanit-Schmuckstücken vorkommt. Siliziumkarbid wird durch die Reaktion von Siliziumdioxid mit Kohlenstoff in einem Elektroofen bei hohen Temperaturen hergestellt und kann auch in der Karborunddrucktechnik verwendet werden, bei der eine mit Karborundgrieß beschichtete Aluminiumplatte für Drucktechniken wie den Karborunddruck verwendet wird.

Kostengünstig

Siliziumkarbid-Halbleiterbauelemente haben aufgrund ihrer kompakten Bauweise, ihrer überlegenen elektrischen Leistung, ihrer Zuverlässigkeit, ihrer höheren Spannungsfestigkeit und Temperaturtoleranz als ältere Bauelemente, ihrer einfachen Handhabung und Installationsmöglichkeiten sowie ihrer geringen Größe im gesamten Technologiesektor zunehmend an Interesse gewonnen, was zu einem drastischen Anstieg ihrer Nachfrage geführt hat.

Siliciumcarbid (SiC) ist eine unzerstörbare chemische Verbindung mit hexagonaler Struktur, die aus Silicium und Kohlenstoff besteht, die durch starke kovalente Bindungen zu starken tetraedrischen kovalenten Bindungen verbunden sind. SiC hat eine außergewöhnlich breite Bandlücke, die es den Elektronen ermöglicht, sich frei in den sp3-Hybridorbitalen zu bewegen, was es zu einem vielseitigen Material mit vielen Verwendungsmöglichkeiten und Vorteilen macht.

Siliziumkarbid-Halbleiter haben aufgrund der steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und 5G-Infrastrukturen ein explosionsartiges Wachstum erfahren, insbesondere aufgrund der hohen kritischen Durchbruchspannung, des geringeren Einschaltwiderstands und der höheren Leistungsdichte - die Hauptgründe für ihren phänomenalen Anstieg.

Siliziumkarbid-Halbleiter zeichnen sich durch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und die Fähigkeit aus, hohen Temperaturen standzuhalten, was sie zum perfekten Material für die Herstellung von Leistungshalbleitern macht. Solche Bauteile finden sich in Hochenergielasern, Solarzellen und Fotodetektoren sowie als Thermistoren/Varistoren in Hochtemperaturöfen.