Transistor Silikon Karbida

Silikon karbida merevolusi elektronika daya. Bahan ini secara perlahan menggantikan transistor silikon tradisional sekaligus menawarkan peningkatan performa yang signifikan.

Karena sifat fisik dan elektronik material, para insinyur mungkin merasa enggan untuk mengadopsi teknologi ini. Sayangnya, kesalahpahaman dapat menghambat mereka untuk mengadopsinya secara penuh.

Silikon karbida terjadi secara alami sebagai permata moissanite dan diproduksi secara sintetis. Kedua bentuk tersebut dapat diubah untuk berperilaku seperti semikonduktor dengan mendopingnya dengan elemen seperti aluminium, boron, galium dan nitrogen.

1. Tegangan tembus tinggi

Silikon karbida (SiC) adalah bahan elektronik yang ditemukan secara alami dalam jumlah yang sangat kecil di dalam meteorit, endapan korundum, dan batuan kimberlite, sementara sebagian besar SiC perangkat elektronik berasal dari sumber sintetis. SiC memberikan alternatif ekonomis untuk semikonduktor silikon tradisional ketika berhadapan dengan persyaratan arus/tegangan yang menuntut dalam aplikasi yang menuntut seperti ini.

Transistor SiC telah mendapatkan tempat di antara para ahli elektronika daya karena tegangan tembusnya yang sangat tinggi. Berkat medan listrik kritisnya yang 10 kali lebih besar daripada silikon, SiC memungkinkan perangkat berfungsi dengan resistansi lapisan drift yang berkurang secara signifikan per area, sehingga menghasilkan tegangan tahan yang sangat tinggi dan peringkat resistansi yang sangat rendah.

Topologi hard-switching seperti koreksi faktor daya tiang totem dan dorongan sinkron dimungkinkan dengan IGBT, sementara resistansi penyalaan yang lebih tinggi menyebabkan pembangkitan panas yang signifikan dan kerugian switching dengan IGBT dan transistor bipolar, yang menyebabkan pembangkitan panas yang cukup besar dan kerugian switching.

Celah pita lebar SiC memungkinkan lapisan oksida gerbang yang lebih kecil, yang mengarah ke elemen parasit yang lebih rendah dan dengan demikian menurunkan resistansi dan meningkatkan kinerja - sebuah keuntungan yang sangat bermanfaat dalam aplikasi pengalihan berkecepatan tinggi di mana frekuensi tinggi harus didukung tanpa menimbulkan panas yang berlebihan.

SiC terkenal dengan kinerjanya yang unggul pada kecepatan tinggi, tetapi konduktivitas termalnya lebih baik lagi, lebih dari tiga kali lebih besar daripada silikon. Hal ini memungkinkan perangkat yang terbuat dari SiC untuk membuang sejumlah besar kelebihan daya bahkan pada suhu yang lebih tinggi tanpa merusak struktur internal - sesuatu yang tidak dapat dilakukan oleh perangkat silikon secara efektif, sehingga menghasilkan kepadatan daya yang lebih tinggi dan mengurangi kerugian.

2. Konduktivitas termal yang tinggi

Silikon karbida, umumnya disebut sebagai moissanite di alam, adalah komposisi silikon dan karbon yang ditemukan secara alami sebagai mineral hitam kebiruan dengan sifat semikonduktor. Karena perangkat elektronik seperti transistor menghasilkan panas selama pengoperasiannya, maka, bahan yang mampu membuang panas secara cepat adalah komponen yang penting.

Konduktivitas termal silikon karbida memainkan peran penting dalam menghilangkan panas yang dihasilkan. Konduktivitas termal yang lebih tinggi memungkinkan perangkat semikonduktor mendingin lebih cepat setelah dimatikan.

Konduktivitas termal silikon karbida yang unggul dapat dijelaskan oleh kerapatan cacat kisi yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan semikonduktor lain seperti galium nitrida. Hal ini memungkinkan lebih banyak panas yang keluar dari permukaan chip dan kemudian dengan mudah didinginkan dengan menggunakan metode pendinginan air atau udara.

Struktur silikon karbida yang padat dan regangan kisi yang berkurang membuatnya lebih unggul daripada bahan semikonduktor lain seperti silikon dalam hal pembentukan dislokasi yang mengurangi kinerja.

Para peneliti yang mempelajari silikon karbida telah mengeksplorasi berbagai faktor yang memengaruhi konduktivitas termalnya untuk lebih memahami mengapa bahan ini memiliki konduktivitas termal yang tinggi, seperti kandungan oksigen/nitrogen kisi, porositas, ukuran butiran, transformasi fasa, dan komposisi aditif. Dengan mengevaluasi elemen-elemen ini secara individual dan menemukan hubungan di antara mereka yang menjelaskan mengapa aspek-aspek tertentu menunjukkan konduktivitas termal yang tinggi - pengetahuan yang kemudian dapat diterapkan untuk meningkatkannya lebih lanjut.

3. Kecepatan pengalihan tinggi

Silikon karbida, yang lebih sering disebut dengan nama kimia SiC, adalah senyawa kimia yang terdiri dari silikon dan karbon yang dapat diproduksi secara massal. Ditemukan secara alami sebagai mineral moissanite dan memiliki sifat semikonduktor, ia telah digunakan sebagai bahan abrasif, bahan keramik, dan bahan baku dalam industri produksi logam.

Transistor silikon karbida menawarkan kemampuan tegangan pemblokiran yang lebih besar dan resistansi spesifik yang lebih rendah daripada IGBT silikon tradisional, memungkinkan kecepatan peralihan yang lebih tinggi daripada rekan-rekan silikon mereka dan dengan demikian menawarkan lebih banyak peluang pengoptimalan sistem kepada para insinyur untuk membuat desain yang lebih kecil dan lebih ringan dengan efisiensi konversi daya yang lebih baik - termasuk yang digunakan sebagai inverter traksi untuk kendaraan listrik.

Namun, meskipun semikonduktor daya celah pita lebar seperti SiC dapat memberikan banyak keuntungan, perangkat ini memiliki kekurangan. Salah satu masalah utama dalam menggunakan semikonduktor tersebut adalah ketidakmampuannya untuk mentoleransi suhu tinggi - hal ini menyebabkan masalah seperti peningkatan arus bocor dalam aplikasi off state dan penurunan keandalan.

Para insinyur telah menggunakan teknologi mutakhir yang beroperasi pada frekuensi switching yang lebih tinggi, menawarkan keuntungan seperti kehilangan konduksi yang lebih rendah, switching yang lebih cepat, dan peningkatan efisiensi - yang memungkinkan sistem daya beroperasi lebih efisien, mengurangi ukuran komponen pasif untuk sistem penyimpanan energi, serta mendukung berbagai aplikasi penggunaan akhir seperti inverter traksi kendaraan listrik (EV), proteksi sirkuit, dan energi terbarukan.

Teknologi celah pita lebar seperti SiC memiliki potensi untuk menggantikan silikon tradisional dalam aplikasi tertentu, meskipun frekuensi switching yang meningkat menghadirkan beberapa tantangan unik yang harus dipenuhi melalui metode manufaktur yang canggih dan alat uji presisi. Dalam artikel blog ini, kita akan melihat pertimbangan utama ketika memilih semikonduktor daya berkecepatan tinggi serta beberapa praktik terbaik untuk menggunakannya secara efektif dalam desain.

4. Resistensi rendah

Silikon banyak digunakan dalam elektronik, tetapi ketika diterapkan pada aplikasi berdaya tinggi, silikon mulai menunjukkan keterbatasannya. Silikon karbida, sebagai perbandingan, menawarkan celah pita yang jauh lebih lebar dan beroperasi pada suhu yang lebih tinggi - memberikan lebih banyak daya dan kecepatan serta mengurangi kebutuhan drive dan meningkatkan desain sirkuit.

Hal ini sangat relevan dengan aplikasi frekuensi tinggi seperti soft-switching LLC atau TPPFC (koreksi faktor daya fase transisi). Perangkat pembawa minoritas sering digunakan untuk mengurangi resistansi penyalaan IGBT pada frekuensi ini; namun, kehilangan peralihan yang signifikan dan produksi panas membatasi penggunaannya pada frekuensi yang lebih tinggi. Sebaliknya, perangkat pembawa mayoritas (dioda penghalang Schottky dan MOSFET) dalam semikonduktor SiC memungkinkan peringkat tegangan yang lebih tinggi dengan resistansi penyalaan yang berkurang.

Semikonduktor SiC memiliki kekuatan kerusakan yang tinggi, yang memungkinkan lapisan melayang yang lebih tipis dan akibatnya mengurangi resistansi dibandingkan dengan rekan-rekan logam mereka, memberikan kondisi ideal untuk kecepatan switching yang cepat. Ketika digabungkan dengan panjang gerbang yang lebih pendek, ini membuat MOSFET SiC cocok untuk kecepatan switching yang cepat.

Silikon karbida murni pada dasarnya adalah isolator listrik; namun, dengan menambahkan pengotor (dopan), atau zat doping, silikon karbida dapat diubah menjadi semikonduktor elektronik. Doping nitrogen dan fosfor menghasilkan semikonduktor tipe-n, sementara doping dengan berilium, boron, aluminium, atau galium dapat menciptakan semikonduktor tipe-p.

MOSFET SiC telah menyebabkan pergeseran dramatis dalam elektronika daya. Menawarkan tegangan pemblokiran yang lebih tinggi, waktu pengalihan yang lebih cepat, dan resistansi yang lebih rendah daripada rekan-rekan silikon mereka, MOSFET SiC memimpin jalan menuju generasi masa depan perangkat elektronik daya.

5. Disipasi daya rendah

Komponen daya berbasis silikon seperti transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT) dan superjunction silikon telah lama menjadi sumber daya yang dapat diandalkan, tetapi ketika terpapar pada suhu yang lebih tinggi atau frekuensi pengalihan, komponen ini mulai menunjukkan keterbatasannya. Semikonduktor celah pita lebar seperti MOSFET silikon karbida menawarkan solusi kinerja terobosan yang dapat mengatasi keterbatasan ini.

Silicon Carbide (SiC) telah lama digunakan sebagai bahan abrasif pada roda gerinda dan keramik, tetapi baru-baru ini, SiC juga telah digunakan secara luas untuk menggantikan perangkat daya berbasis silikon tradisional dalam aplikasi elektronik berdaya tinggi. Pergeseran yang luar biasa ini didorong oleh sifat fisik dan elektronik SiC yang luar biasa; paduan yang terdiri dari silikon dan karbon.

Seperti yang umum terjadi pada semikonduktor majemuk, SiC menunjukkan polytypism dengan struktur kristal yang berbeda yang terbentuk tergantung pada bagaimana komposisi kimianya bervariasi dalam satu dimensi. Polytype 4H-SiC secara luas lebih disukai untuk aplikasi daya karena struktur atom heksagonal yang rapat yang memfasilitasi waktu peralihan yang cepat dan kemampuan tegangan pemblokiran yang tinggi.

Perangkat silikon dan SiC berbeda dalam hal kinerja sebagian besar karena lebar celah pita mereka, jumlah energi yang diperlukan untuk beralih dari kondisi isolasi ke kondisi konduksi. Celah pita yang lebih lebar memungkinkan lebih banyak energi listrik ditransfer dengan lebih cepat dan efisien - keuntungan yang sangat berguna dalam aplikasi berdaya tinggi seperti inverter traksi kendaraan listrik.

Resistansi termal SiC yang lebih rendah daripada perangkat silikon tradisional adalah keuntungan utama lainnya, memungkinkan komponen induktif dan kapasitif yang lebih kecil dan dengan demikian menurunkan total kerugian sistem (termasuk kerugian konduksi dan kerugian daya switching). Pada inverter setengah jembatan, hal ini dapat menghasilkan efisiensi yang lebih besar serta biaya sistem yang lebih rendah.