Szilícium-karbid félvezető piac áttekintése

A szilícium-karbid félvezető egy nem hagyományos, széles sávszélességű félvezető, amely számos eredendő előnnyel rendelkezik szilícium alapú társaival szemben, beleértve a magasabb üzemi hőmérsékletet, a gyorsabb kapcsolási frekvenciákat és a csökkentett eszközveszteségeket.A SiC teljesítménykomponensek jelentősen alacsonyabb költségeket kínálnak, mint szilícium alapú társaik, a szubsztrátköltségek csökkenésének köszönhetően, amelyek a teljes alkatrészköltségek hatalmas részét teszik ki.

Magas hőmérsékletű

A szilíciumkarbid (SiC) egy rendkívül kemény és tűzálló félvezető anyag, amely olyan zord környezetben is jól megél, ahol a legtöbb elektronikai termék nem tud működni, beleértve a magas hőmérsékletet, a szélsőséges rezgéseket, az ellenséges kémiai közegeket és a sugárzásnak való kitettséget. Az ilyen szélsőséges körülményeknek ellenálló SiC-érzékelők és -elektronika számos rendszert forradalmasíthat - az elektromos autók és közművek energiaátvitelétől kezdve a radar- és mobiltelefon-kommunikációs alkalmazásokban használt erősebb mikrohullámokig.

A SiC előállításának egyik módja a Lely-eljárás. Itt a SiC-port magas hőmérsékleten szublimálják szilícium, szén és szilícium-dikarbid fajokká, majd 2500 °C-on pehelyszerű egykristályokként lerakják, mielőtt hordozóra helyezik; ez kiváló minőségű, akár 2 cm2 méretű 6H-SiC egykristályt eredményez.

A SiC-nek több alacsony nyomású polytípusa is létezik, köztük a 3C, 4H, 15R és 21R. Mindegyik polytípus erős fononmódusokat mutatott hasonló szerkezetekkel. A kutatók tanulmányozták az abszorpciós élek nyomásfüggését; a nitrogénnel adalékolt 6H-SiC egyik vizsgálata kimutatta, hogy sávhézagának változatlan negatív nyomásderiváltja van; ez a megállapítás megerősítette az elméleti számításokat.

Nagyfeszültségű

Az olyan nagyfeszültségű eszközök, mint a félvezetők, diódák és IGBT-k kritikus fontosságú alkatrészek a motorvezérléstől kezdve a napelemes invertereken és akkumulátortöltőkön át egészen a motorsportig. Sajnos azonban nagy helyigényük miatt jelentős hőtermelésre van szükségük, ami jelentős vezetési veszteségekhez vezet. A szilícium-karbid (SiC) eszközök alkalmazásával csökkenthető a kapcsolási veszteség, ugyanakkor a nagyobb blokkolófeszültségek és a kisebb vezetési veszteségek révén növelhető a megbízhatóság.

A SiC-t a szilíciumtól a lényegesen nagyobb elektromos térerősségű áttörés különbözteti meg, ami lehetővé teszi a magasabb üzemi hőmérséklet elérését teljesítményveszteség nélkül. Ez teszi a SiC-t kiváló választássá az olyan nagyfeszültségű teljesítményű eszközökhöz, mint az IGBT-k, SB-diódák és MOSFET-ek; emellett a háromszor szélesebb sávhézag miatt a szilíciumnál alkalmasabb a szélsőséges körülmények között való alkalmazásra.

Több vállalat fejlesztett ki széles sávszélességű szilícium-karbid (WBG) MOSFET-eket, amelyeket kifejezetten az autóipari és ipari inverterek számára terveztek, 650 V-os töréspontokkal és az egyik legalacsonyabb területenkénti ellenállással, amely kategóriájukban bármelyik eszközön elérhető. Az ON Semiconductor NTH4L015N065SC1 SiC MOSFET-je belső kapuellenállással rendelkezik, amely a gyorsabb kapcsolási idők érdekében kiküszöböli a külső ellenállásokat a meghajtó áramkörökben.

Nagyfrekvenciás

A nagyfrekvenciás szilícium-karbid félvezetők 2021-ben jelentős piaci részesedéssel rendelkeztek, és az előrejelzési időszakban várhatóan folyamatos növekedést tapasztalnak, mivel széles sávhézaguk segít csökkenteni a nagy sebességű kapcsolási alkalmazások teljesítményveszteségét és megbízhatóságát. A szilícium-karbidnak számos alkalmazása van a vasúti közlekedés és az elektromos járművek környezetében is, ahol az eszközök segítenek csökkenteni a berendezések méretét és súlyát az alacsonyabb üzemeltetési költségek és a jobb hatékonyság érdekében - például a japán Shinkansen vonalon közlekedő vonatok megbízhatóságának javítása a vontatási átalakítóként való alkalmazásuk révén.

A szilícium-karbid félvezető eszközök a fenntarthatóság és a villamosítási törekvések növekedése miatt az elmúlt években óriási növekedést tapasztaltak, mivel a szilícium és a szilícium-arzenid nagyfeszültségű/frekvenciás alkalmazásokban jobb teljesítményt nyújtanak, mint a szilícium és a szilícium-arzenid. A gallium-nitrid (GaN) szintén szerves részét képezi a harmadik generációs félvezető eszközöknek, és több lehetőséget kínál a nagyfeszültségű/frekvenciás alkalmazásokban, mint a szilícium.

A szilíciumkarbid (SiC) szilíciumból és szénből álló ötvözet. Ez a kémiai vegyület a gyémánthoz hasonló erős kovalens kötésekkel rendelkezik. A SiC-t a szilícium-dioxid és a szén elektromos kemencében, magas hőmérsékleten történő egyesítésével állítják elő; sávhézagát 3,26 eV-ban mérték. Ezenkívül a SiC magasabb hőmérsékleten, feszültségen és frekvencián is képes működni, mint a szilícium.

Nagy teljesítményű

A szilícium-karbid teljesítmény-félvezetők nagy teljesítményt nyújtanak, miközben segítenek csökkenteni az elektronikus eszközök súlyát, méretét és költségeit. Hőmérséklet- és feszültségtűrésük alkalmassá teszi őket töltőoszlopok, adatközpontok és más igényes alkalmazások - különösen az elektromos járművekkel (EV) kapcsolatos alkalmazások - számára. Továbbá gyorsabb kapcsolási képességeik és csökkentett ON-ellenállásuk jobb választássá teszi őket a szilíciumeszközöknél - ami különösen kritikus, ha a jövőbeli vasúti közlekedési alkalmazásokat vesszük figyelembe, ahol a terhelhetőség a növekedés kulcsfontosságú tényezője lesz.

A szilícium-karbidot, más néven moissanitot először több mint 4,6 milliárd évvel ezelőtt fedezték fel meteoritokban. Napjainkban kis mennyiségben bányásszák a Földből drágakőnek, de a legtöbbet mesterségesen állítják elő; leggyakrabban nitrogén- vagy foszforadalékanyagokkal adalékolva a drágaköves ékszerekhez, illetve berillium-, bór- vagy alumíniumadalékanyagokkal adalékolva az ékszergyártáshoz. A szilíciumkarbid nitrogén- és foszforadotáló anyagokkal n-típusú adalékolással is adalékolható, míg kemény, színtelen felülete lehetővé teszi az adalékanyagok adalékolását, amely mindkét típusú n-típusú és p-típusú adalékolást lehetővé teszi, attól függően, hogy az adalékolás természetes vagy mesterségesen előállított módon történik - hasonlóan a gyémánt ékszerekhez. A szilícium-karbidot mesterségesen is elő lehet állítani, mint a több mint 4,6 milliárd évvel ezelőtti meteoritokból származó moissanit ékszereket! Ezután felhasználható az ékszerkészítésben. A legtöbb szilíciumkarbid azóta is mesterségesen előállítható! Színtelen kemény anyag, amely nitrogén vagy foszfor adalékolással is adalékolható, miközben p-típusú berilliummal, bórral, vagy alumíniummal adalékolható a kívánt alkalmazástól függően! A szilíciumkarbidot először a Földről származó meteoritokban fedezték fel, még régebben. 4,6 milliárd évvel ezelőtt! 4,6 milliárd évvel ezelőtt! 4,6 milliárd évvel ezelőtt...

A SiC egy innovatív vegyület, amely szilíciumból (14-es atomi szám) és szénből (6-os atomi szám) áll, erős kovalens kötésekkel összekapcsolódva egy hathatós hexagonális szerkezetű kémiai vegyületet alkot, amely rendkívül széles sávhézagú félvezető tulajdonsággal rendelkezik - háromszor szélesebb, mint a hagyományos szilícium! Egyedülálló elektromos tulajdonságokkal is büszkélkedhet, amelyek bizonyos alkalmazásokban kívánatossá tehetik.

Alacsony hőmérsékletű

A szilícium-karbid olyan ipari anyag, amely képes ellenállni a magas hőmérsékletnek és feszültségnek, így tökéletes anyagválasztás a teljesítmény félvezetőkhöz. Tartóssága és hosszú távú működése miatt a vékonyabb ostyák használata nagyobb hatékonyságot eredményez, míg megbízhatósága hosszú távú működést és hosszabb élettartamot tesz lehetővé. A szilíciumkarbid emellett alacsony hőtágulási rátával büszkélkedhet, valamint kémiailag semleges.

A kemény és korrózióálló szilíciumkarbid kiváló csiszolóanyag, és széles körben használják tűzálló anyagok, például hűtött vas, márvány és gránit vágására; elektromos acél csiszolására; karborundum-nyomtatásra (száraz szemcsés szilíciumkarbidot használnak képek nyomtatására); a karborundum-nyomtatási technikákat és a karborundum-papírgyártást is gyakran alkalmazzák a szilíciumkarbid csiszolólemezek szerszámként való felhasználásával; valamint csiszolópapírtermékek gyártására is használják.

Természetes moissanit csak nagyon kis mennyiségben található meteoritokban, korundlelőhelyeken és kimberlitben. A legtöbb kereskedelmi forgalomban kapható moissanitot szintetikus úton állítják elő, úgy, hogy a szenet olvasztott szilíciumban feloldják, így alfa-szilíciumkarbid keletkezik, amely alumínium-oxiddal egyesülve karborundumot vagy b-SiC-et, más néven karborundot alkot. Ez a stabil vegyület a gyémánt köbös szerkezetével büszkélkedhet, félig kitöltött SiC-tetraéderekkel, ami jó vezetőképességet biztosít, köszönhetően annak, hogy hasonló atomsugárral rendelkezik, mint más gyémántkristályok, valamint magas olvadáspontú tulajdonságokkal rendelkezik.

Kisfeszültségű

A szilícium-karbid félvezetők hatékonyságuk, tartósságuk és hűtési jellemzőik miatt széles körben elterjedtek a teljesítményelektronikai iparban. Kiterjedten használják a teljesítmény-átalakítókban, EV-töltőkben, napenergia-inverterekben, motorhajtásokban és motorvezérlőkben, valamint a hagyományos szilíciumeszközökhöz képest magasabb hőmérsékletű/feszültségű környezetben - különösen a nagy sebességű alkalmazásokhoz alkalmas alacsonyabb bekapcsolási ellenállásoknak és kapcsolási veszteségeknek köszönhetően.

A teljesítmény félvezetők várhatóan alapvető technológiává válnak az autóipari alkalmazásokban, mivel számos előnyük van a hagyományos eszközökkel szemben. Szélesebb sávszélességgel rendelkeznek, ami szélesebb hőmérséklet- és feszültségspektrumon való működést tesz lehetővé; valamint csökkentett energiafogyasztást és súlyt.

A SiC helyettesítheti a magas átütési feszültséggel és nagy kapcsolási veszteségekkel rendelkező IGBT-ket és bipoláris tranzisztorokat gyorsabb kapcsolóeszközökkel, amelyeknek csökkentett bekapcsolási ellenállása van, ami kisebb teljesítményveszteséget és hőtermelést eredményez. A SiC széles sávszélessége lehetővé teszi, hogy ezek az eszközök gyorsabban kapcsoljanak, miközben kisebb bekapcsolási ellenállással rendelkeznek, ami csökkenti a hőtermelést és a teljesítményveszteséget.

A szilícium-karbid egy amorf természetes anyag, amely rendkívül ritka formában, például moissanit ékszerekben található. A szilíciumkarbidot úgy állítják elő, hogy a szilícium-dioxidot magas hőmérsékleten, elektromos kemencében szénnel reagáltatják, és a szilíciumkarbidot a karborundum-nyomtatásban is fel lehet használni, például a karborundum-nyomdai technikákhoz karborundumszemcsével borított alumíniumlemezzel.

Alacsony költségű

A szilícium-karbid félvezető eszközök egyre nagyobb érdeklődésre tartanak számot a technológiai szektorban, mivel kompakt jellegük és kiváló elektromos teljesítményük, megbízhatóságuk, a régebbi eszközöknél nagyobb feszültségállóságuk és hőmérséklet-tűrésük, könnyű kezelhetőségük és szerelhetőségük, valamint kis méretük miatt drámaian megnőtt a keresletük.

A szilíciumkarbid (SiC) egy elpusztíthatatlan, hexagonális szerkezetű kémiai vegyület, amely szilíciumból és szénből áll, és erős kovalens kötésekkel erős tetraéderes kovalens kötéseket alkot. A SiC kivételesen széles sávhézaggal rendelkezik, amely lehetővé teszi az elektronok szabad mozgását az sp3 hibrid pályákon - így sokoldalúan felhasználható és előnyös anyaggá válik.

A szilícium-karbid félvezetők robbanásszerű növekedést tapasztaltak az elektromos járművek és az 5G infrastruktúra növekvő kereslete miatt, különösen a magas kritikus átütési feszültség, az alacsonyabb bekapcsolási ellenállás és a megnövekedett teljesítménysűrűség miatt, amelyek a fenomenális növekedésük fő mozgatórugói.

A szilícium-karbid félvezetők kiváló hővezető képességgel és magas hőmérsékleti környezetben való ellenállóképességgel büszkélkedhetnek, így tökéletes anyag a teljesítmény félvezető eszközök gyártásához. Ilyen eszközök találhatók a nagy energiájú lézerekben, napelemekben és fotodetektorokban, valamint termisztorként/varisztorként használhatók magas hőmérsékletű kemencékben.