Piikarbidi Puolijohde

Pii tunnetaan hyvin puolijohteiden valmistuksessa käytettävänä materiaalina, mutta eräästä toisesta materiaalista voi tulla seuraava suuri juttu sähkösovelluksissa - piikarbidi.

Piikarbidilla (SiC) on piitä paremmat sähkö- ja lämpöominaisuudet, huomattavasti korkeampi läpilyöntijännite ja pienempi kytkentävastus nopeissa kytkentäsovelluksissa. Näiden etujen ansiosta SiC erottuu piitä sopivampana materiaalina tällaisiin tehtäviin.

Edut

Piikarbidipuolijohteita käytetään lukuisissa elektroniikkalaitteissa sähköajoneuvoista ja aurinkoenergiajärjestelmistä 5G-teknologiaan. Niiden erilaiset lämpö- ja sähköominaisuudet tekevät niistä kustannustehokkaampia kuin piistä valmistetut vastineensa, minkä vuoksi niiden suosio on noussut huimasti vuosien varrella. Kysyntä on vastaavasti kasvanut räjähdysmäisesti.

Piikarbidipuolijohteet tarjoavat monia etuja, kuten energiatehokkuuden, nopeammat kytkentänopeudet, pienemmät laitehäviöt ja paremman kestävyyden korkeita lämpötiloja ja läpilyöntijännitteitä vastaan verrattuna piistä valmistettuihin vastineisiinsa. Lisäksi niiden kestävämpi rakenne antaa niille paremman kestävyyden ankarissa ympäristöolosuhteissa, minkä ansiosta niistä on tullut suosittuja valintoja uusissa sovelluksissa, kuten sähköautojen latausasemissa ja aurinkovaihtosuuntaajissa.

IGBT:t ja bipolaaritransistorit olivat aiemmin tehoelektroniikkasovellusten ensisijaisia laitteita, mutta näihin laitteisiin liittyy useita haasteita, kuten rajalliset kytkentätaajuudet ja liiallinen lämmöntuotanto. SiC-laitteissa on laajemmat kaistavälit, jotka mahdollistavat korkeammat kytkentätaajuudet pienemmällä kytkentävastuksella, ja niiden sulamispiste on piitä alhaisempi, joten ne kestävät helposti korkeampia lämpötiloja.

Sovelluksesta riippuen piikarbidipuolijohteita voidaan käyttää yhdessä muiden materiaalien, kuten polymeerien ja keramiikan, kanssa, ja siksi ne on testattava perusteellisesti laadun ja turvallisuuden varmistamiseksi - tällaisia menetelmiä ovat esimerkiksi röntgenfluoresenssitestaus ja hehkupurkauksen massaspektrometria (GDMS).

Sovellukset

Piikarbidi on vaikuttava materiaali, joka voi mullistaa tehoelektroniikan. Piikarbidi on laajan kaistanleveyden puolijohde, joka tarjoaa piikarbidiin verrattuna useita etuja jännitepiikkien käsittelyssä, nopeammissa kytkentäajoissa ja pienemmissä laitehäviöissä sekä kestää korkeampia lämpötiloja - ominaisuuksia, joiden ansiosta se soveltuu niin sähköajoneuvoihin, teollisuussovelluksiin kuin aurinkosähköinverttereihinkin.

Piikarbidi (SiC) on kevyin ja kovin keraaminen materiaali, jolla on erinomainen lämmönjohtavuus ja kemiallinen kestävyys happoja ja lipeää vastaan. Lisäksi SiC tarjoaa 10 kertaa paremman sähköisen eristyksen kuin pii, ja sen läpilyöntikentän lujuus on erittäin korkea ja kymmenkertainen piin läpilyöntikentän lujuuteen verrattuna.

SiC-teholaitteista on tullut korvaamaton voimavara eri sovelluksissa. Nämä teholaitteet ovat osoittautuneet hyödyllisiksi useilla eri aloilla ja teollisuudenaloilla aina sähköisen liikkuvuuden läpimurron mahdollistamisesta digitalisaation tukemiseen teollisuudessa. SiC-laitteista on tullut nopeasti alan standardi akkujen hallintajärjestelmistä ja ajoneuvolatureista DC/DC-muuntimiin, jotka auttavat tekemään elämästä kestävämpää ja vähentävät samalla latausasemien kustannuksia.

Piikarbidi on mullistanut tehoelektroniikan sen ainutlaatuisten fysikaalisten ja elektronisten ominaisuuksien ansiosta. Koska piikarbidi on yksi ainoista laajan kaistaleveyden puolijohteista, jolla on kuusikulmainen kiderakenne (4H-SiC), se on erinomainen materiaali korkeajännitteisiin teholaitteisiin, joiden on kestettävä vaativia ympäristöjä ja joilla on oltava nopeammat kytkentänopeudet, pienemmät häviöt ja joita voidaan käyttää jopa erittäin korkeilla taajuuksilla suorituskyvystä tai luotettavuudesta tinkimättä. Tämä materiaali voisi mahdollisesti korvata nykyiset IGBT- tai bipolaaritransistorit ilman, että suorituskyvystä tai luotettavuudesta tingitään.

Valmistus

Piikarbidi (SiC) on erittäin monipuolinen puolijohdemateriaali. Sitä voidaan seostaa voimakkaasti sekä n- että p-tyypin typellä typellä, fosforilla, alumiinilla tai galliumilla, jolloin saavutetaan metallinen johtavuus ja saadaan puhtaille SiC-kiteille tyypillinen sateenkaarimainen kiilto; teollisissa laaduissa on usein rautapitoisia epäpuhtauksia, jotka muuttavat sen värin ruskeasta mustaan.

Tämän puolijohteen eristävät ominaisuudet johtuvat sen kiderakenteesta. Sen atomikerrokset luovat tiiviin liitoksen valenssi- ja johtumiskaistojen välille, mikä tekee elektronien liikkumisesta kerrosten välillä haastavampaa - ja antaa sille kyvyn kestää lähes kymmenen kertaa enemmän sähkökenttiä kuin pii.

Piikarbidi-Scottky-diodit tarjoavat pienemmän päälle kytkeytymisresistanssin ja pienemmän kokonaisporttivarauksen, mikä tekee niistä tehokkaampia ja nopeampia kuin piipohjaiset vastineensa - ihanteellisia tehoa vaativiin sovelluksiin, kuten sähköajoneuvojen (EV) tai uusiutuvan energian järjestelmien tehomuuntimiin ja kytkimiin.

Piikarbidipuolijohteiden valmistus on monimutkainen prosessi. Siihen kuuluu useiden laitteiden käyttö sellaisten kiekkojen valmistamiseksi, joiden pinnankarheus on alle 1 mikroni, ennen kuin ne kiillotetaan kemiallis-mekaanisella kiillotusnesteellä huovalla tai uretaanilla kyllästetyillä tyynyillä vaurioiden ja pinnan hapettumisen poistamiseksi. Tämä kemiallis-mekaaniseksi kiillotukseksi kutsuttu vaihe on ratkaisevan tärkeä, jotta substraatin pinnat voidaan valmistella epitaksiaalista kasvua varten ja samalla säilyttää kiekon muodon vakaus.

Hinnoittelu

Piikarbidia on eri muodoissa ja sovelluksissa. Piikarbidia on valmistettu synteettisesti vuodesta 1893 lähtien suurissa tuotantolaitoksissa ja sitä on löydetty myös luonnosta, aina leikkuutyökaluista ja hioma-aineista puolijohteisiin ja jopa läpikuultavaan mineraaliin, moissaniittiin. Kovana ja kestävänä materiaalina se kestää korkeita lämpötiloja ja mekaanista rasitusta rikkoutumatta.

Piikarbidipuolijohteet ovat kasvaneet nopeasti maailmanlaajuisilla markkinoilla, kun yritykset etsivät tehokkaita tehonhallintaratkaisuja. Niiden ainutlaatuiset lämpö- ja sähköiset ominaisuudet tekevät niistä suosittuja valintoja teollisissa sovelluksissa; lisäksi niiden skaalautuvuus antaa valmistajille mahdollisuuden alentaa tuotantokustannuksia.

Allegro Microsystems on yksi näistä yrityksistä, joka laajentaa toimintaansa piikarbidipuolijohteiden kasvavaan kysyntään vastaamiseksi. Allegro on yksi alan johtavista moottorikäyttöön tarkoitettujen anturi- ja tehoratkaisujen toimittajista, ja se laajentaa toimintaansa kysyntää vastaavaksi.

Piikarbidi on olennainen osa tehopuolijohteita, joista on tullut yhä tärkeämpi osa sähköajoneuvojen akkulatureita, sähköautojen latausjärjestelmiä, DC-DC-muuntimia, tuulivoimaloita ja aurinkosähköisiä inverttereitä uusiutuvien energialähteiden kysynnän kasvaessa. Muita keskeisiä toimijoita ovat II-VI Coherent Corp., Semiconductor Components Industries LLC ja WOLFSPEED INC. Piikarbidin käytön osana tehopuolijohteita ennustetaan lisäävän kasvua tässä markkinasegmentissä.