Piikarbiditransistori

Piikarbidin teholaitteet ovat olennainen osa sähköajoneuvojen energiatehokkuuden parantamista niiden erinomaisten materiaaliominaisuuksien ansiosta.

Puhtaassa muodossaan piikarbidi käyttäytyy eristeenä, mutta kun siihen lisätään epäpuhtauksia (dopantteja), se voi muuttua elektroniseksi puolijohteeksi. Tähän tarkoitukseen käytettäviä dopantteja ovat esimerkiksi typpi- tai fosforidioksidit n-tyypin käyttöä varten, kun taas alumiini-, boori- tai galliumidioksidit voivat muuttaa sen p-tyypin puolijohdemateriaaliksi.

Korkea jännite hajoaminen

Piikarbidipuolijohdekomponentteja pidetään yhä useammin sopivana piikomponenttien korvaajana tehoelektroniikan sovelluksissa, joissa käytetään korkeita lämpötiloja tai jännitteitä, erityisesti silloin, kun kyse on korkeista jännitteistä tai lämpötiloista. Tämä johtuu sen poikkeuksellisen korkeasta sähkökentän läpilyöntivoimasta, jonka ansiosta se kestää paljon suurempia virtoja kuin piioksidit ja jopa 10 kertaa suurempaa jännitettä kuin MOSFETit - ihanteellinen ratkaisu sähköajoneuvoissa ja satelliiteissa käytettäviin suurjännitepiireihin.

CNT:t erottuvat edukseen suuremmalla kaistanleveydellään, joka on noin kolme kertaa suurempi kuin piin 1,1 eV, jolloin elektronit pääsevät helpommin johtavuuskaistalle johtamaan sähköä ja risteyksen vuotovirrat ovat epätodennäköisempiä - keskeisiä ominaisuuksia laitteissa, jotka on suunniteltu toimimaan luotettavasti korkeammissa lämpötiloissa.

Piikarbidin läpilyöntijännite on korkeampi sen ohuemman tyhjennyskerroksen ansiosta. Tämä päästää läpi enemmän vapaita kantajia, mikä lisää virrantiheyttä ja mahdollistaa pienemmät transistorit, jotka vaativat vähemmän energiaa, mikä lisää hyötysuhdetta ja vähentää lämmöntuottoa.

Yksi piikarbiditeknologian käyttöönoton suurimmista haitoista on ollut sen suhteellisen korkea hinta. Tutkijat ovat kuitenkin kehittäneet edullisen tekniikan piikarbidista valmistettujen virtakytkimien valmistamiseksi, mikä tekee tästä materiaalista käyttökelpoisen suurjännitesovelluksissa.

He onnistuivat tässä soveltamalla uutta tekniikkaa, jolla yhdistetään unipolaariset ja bipolaariset laitteet samaan rakenteeseen - joita kutsutaan yhdistetyiksi tappi-Schottky-diodeiksi tai MPS-diodeiksi - ja jonka avulla he pystyivät vertailemaan epitaksiaalisten ja istutettujen liitosten ominaisuuksia; epitaksiaaliset diodit osoittautuivat vakaammiksi, koska niillä on korkeammat käänteisvirtaresistanssit korkeissa lämpötiloissa (RDS(ON)).

Piikarbidia voidaan pian käyttää laajemmin tehoelektroniikan sovelluksissa, mikä hyödyttää sekä taloutta että ympäristöä. Vaikka piikarbidia käytetään jo nyt joissakin sovelluksissa, kuten LED-valonlähteissä ja varhaisradiopuhelimien ilmaisimissa, sen valtava potentiaali tarkoittaa, että sitä voidaan pian käyttää kaikkialla maanpäällisistä sähköajoneuvoista Venusta tutkivien Roverien instrumentteihin tai sen äärilämpötiloja kestämään suunniteltujen luotainten laitteisiin.

Korkea virrantiheys

Piikarbidi on erittäin kova ja tiivis materiaali, jolla on useita ominaisuuksia, jotka edistävät sen menestystä puolijohdekomponenttina. Yksi tällainen ominaisuus on sen suuri sähkökentän läpilyöntivoima, jonka ansiosta siitä valmistetut laitteet sietävät paljon suurempia virrantiheyksiä kuin piistä valmistetut laitteet muuten sietäisivät, mikä mahdollistaa suuritehoiset sovellukset ja nopeammat kytkentäajat suuremmille kuormille. Lisäksi sen alhaisempi kytkentävastus johtaa pienempiin häviöihin, mikä on erityisen hyödyllistä, kun suunnitellaan tehomuuntimia tai vastaavia malleja.

Piikarbiditransistoreilla on korkeat läpilyöntijännitteet, joiden ansiosta ne voivat toimia korkeammissa lämpötiloissa kuin muut puolijohteet, mikä tekee niistä erittäin käyttökelpoisia korkean lämpötilan sovelluksissa, kuten sähköajoneuvojen virtalähteissä tai avaruuslentojen laitteissa. Koska ne auttavat vähentämään näiden laitteiden lämmöntuottoa, ne voivat parantaa tehokkuutta ja samalla lisätä luotettavuutta.

Piikarbidi on jo pitkään tunnustettu puolijohdemateriaaliksi, joka voi johtaa sähköä, kun sitä seostetaan tietyillä epäpuhtauksilla, mutta tästä materiaalista valmistettuja kaupallisia laatulaitteita on kuitenkin vasta äskettäin toteutettu, koska sen kiteisyys muodostuu yli 150 polytyypiksi, mikä tekee elektronisten laitteiden valmistukseen soveltuvasta kasvusta haastavampaa kuin aiemmin on odotettu.

Näiden uusien tehopuolijohteiden luomiseksi on käytetty ainutlaatuista käsittelytekniikkaa. Tähän on päästy käyttämällä hiiliionisäteitä ja sen jälkeen termistä hapetusta tai molempia prosesseja yhdessä hiilityhjiöiden vikatiheyden vähentämiseksi.

SiC-laitteissa on tyypillisesti unipolaarinen transistorirakenne, jonka pintakerrokseen on asennettu metallianodi tai p+n-diodi ja n-kerros (jännitteen estoalue), joka on kytketty matalaresistanssiseen substraattiin, joka sallii virran kulun positiivisissa bias-olosuhteissa ja estää kaiken virran negatiivisissa bias-olosuhteissa. Tämä järjestely sallii virran kulun positiivisesti jännitteisenä mutta estää sen täysin negatiivisesti jännitteisenä.

Alhainen päälle-vastus

Piikarbidi (SiC) tunnetaan hyvin hiomamateriaalina ja luodinkestävien liivien keramiikan komponenttina, mutta sen puolijohdeominaisuudet tekevät siitä myös mahdollisen piipohjaisten laitteiden korvaajan tehoelektroniikan sovelluksissa. SiC-laitteilla on korkea estojännite, nopeat kytkentäajat ja alhainen kytkentävastus, jotka auttavat vähentämään häviöitä sovelluksissa, kuten sähköajoneuvojen ajovirtasuuntaajissa ja ajoneuvolatureissa.

Piikarbidin sähköiset ominaisuudet ovat jo pitkään olleet perinteisiä piipuolijohteita paremmat. Tällä laajan kaistaleveyden materiaalilla on erityisesti erittäin korkea sulamispiste, alhainen dielektrisyysvakio ja erittäin korkea läpilyöntikentän voimakkuus sekä korkea elektronien driftnopeus ja lämmönjohtavuus, mikä tekee siitä erinomaisen ehdokkaan käytettäväksi elektronisten puolijohdekomponenttien tuotannossa.

Viime aikoihin asti piikarbidista valmistetut kaupalliset laatulaitteet olivat kuitenkin vaikeasti saavutettavissa, koska piikarbidi on hyvin monityyppinen; MOSFET-valmistuksessa tarvittavien suurten yksikiteisten ja ohuiden kalvojen luominen on osoittautunut erittäin haastavaksi.

Cree ja muut yritykset onnistuivat saavuttamaan läpimurron piikarbiditeknologiassa Gate-Injectionin käyttöönoton myötä. Tämän prosessin ansiosta laitteita voidaan ohjata pienemmällä porttivirralla, jolloin niiden päälläolovastuksen lämpötilariippuvuus pienenee ja suorituskyky paranee.

Näin ollen MOSFETeja voidaan turvallisesti ajaa korkeampiin käyttöjännitteisiin ilman, että niiden päälläolovastus tai loisvaikutukset, kuten porttioksidivuodot, lisääntyvät - tämä tarjoaa merkittäviä etuja verrattuna perinteisiin IGBT- ja bipolaaritransistoreihin, jotka vaativat mitoituksen alentamista, kun niitä ajetaan nimellisarvojaan suuremmiksi.

UnitedSiC liittyi Qorvon yritysperheeseen marraskuussa 2021, ja se tarjoaa piikarbidi-FET:iä, joilla on matala kytkentävastus ja joiden nimellisarvo on 750V/6mOhm ja jotka parantavat hyötysuhdetta, mikä on elintärkeää suuritehoisissa sovelluksissa, kuten sähköajoneuvojen (EV) ajovaihtosuuntaajissa, teollisuudessa käytettävissä tehonmuuntimissa ja uusiutuvan energian järjestelmissä. Näiden FET:ien avulla suunnittelijat voivat pienentää järjestelmän kokoa, painoa ja monimutkaisuutta ja parantaa samalla tehotiheyttä ja luotettavuutta - keskeisiä ominaisuuksia, jotka ovat kriittisiä suunnittelun kannalta.

Laaja kaistanleveys

Pii on yksi yleisimmin käytetyistä puolijohteista elektronisissa laitteissa. Mutta koska sen rajoitukset suuritehosovelluksissa lähestyvät rajojaan, kaksi yhdistelmäpuolijohdekomponenttia tarjoavat ratkaisuja: galliumnitridi- (GaN) ja piikarbiditransistorit (SiC). Kummallakin on ainutlaatuisia etuja, jotka tekevät niistä erinomaisia vaihtoehtoja tavanomaisille IGBT- ja Si-MOSFET-piireille tehomuunnospiireissä.

Yhdistelmäpuolijohteilla on leveä kaistaleveys, jonka ansiosta ne voivat toimia paljon korkeammissa lämpötiloissa kuin piipohjaiset vastineensa. "Leveä" viittaa niiden valenssi- ja johtokaistojen väliseen energia-aukkoon, joka on noin kolme kertaa laajempi kuin piin 1,12 eV:n aukko, jolloin laitteet, joilla on tällainen laajempi aukko, voivat käsitellä suurempia jännitteitä ja virtoja ilman lämpöaktivoitumisen aiheuttamia häiriöitä.

GaN ja SiC voivat toimia korkeammilla kytkentätaajuuksilla, mikä puolestaan mahdollistaa tehohäviöiden vähentämisen ja tehokkuuden lisäämisen elektroniikkapiireissä. GaN ja SiC ovat myös kymmenen kertaa piin jännitteen sietokykyä parempia, joten ne soveltuvat hyvin esimerkiksi nopeisiin unipolaarisiin kytkimiin.

Nämä puolijohteet hyötyvät suuremmista kaistanleveyksistä, jotka mahdollistavat perinteisiä piilaitteita ohuempien kiekkojen valmistuksen, mikä johtaa pienempään kytkentävastukseen ja laitteiden kriittisen läpilyöntikentän kasvuun. Lisäksi tämä suurempi kriittinen rikkoutumiskenttä mahdollistaa sen, että pienemmillä laitteilla, joilla on sama nimellisjännite kuin pienemmillä laitteilla, voidaan saavuttaa tietty nimellisjännite kustannustehokkaammin ja pienentää tehomuuntimien kokoa kokonaisuudessaan.

Sähköajoneuvojen kysynnän kasvaessa tarvitaan myös luotettavia tehoelektroniikkajärjestelmiä, jotka pystyvät käsittelemään ja muuntamaan sähköenergiaa käyttökelpoiseksi tehoksi. Vaikka piipohjaisilla puolijohteilla on rajoituksensa, kun niitä käytetään tehonmuuntopiirien komponentteina, uusi kehitys on laajentanut mahdollisuuksia laajakaistaisilla puolijohteilla.

Nämä uudet teknologiat tekevät tehonmuuntojärjestelmistä huomattavasti pienempiä ja tehokkaampia kuin koskaan aikaisemmin. Cree esitteli hiljattain alan ensimmäisen kuusipakkaisen SiC MOSFET-tehomoduulin, joka on pakattu alan standardiin 45 mm:n pakkaukseen ja joka vähentää tehohäviötä jopa 75%, kun samalla tehotiheys kasvaa 50% ja järjestelmän kokonaiskustannukset alenevat 70%.