실리콘 카바이드 트랜지스터

실리콘 카바이드는 전력 전자제품에 혁신을 일으키고 있습니다. 실리콘 카바이드는 기존 실리콘 트랜지스터를 서서히 대체하는 동시에 상당한 성능 향상을 제공하고 있습니다.

재료의 물리적, 전자적 특성으로 인해 엔지니어는 이 기술을 도입하는 것을 꺼릴 수 있습니다. 안타깝게도 오해로 인해 이 기술을 완전히 도입하지 못할 수도 있습니다.

실리콘 카바이드는 모이사나이트 보석으로 자연적으로 발생하기도 하고 합성으로 생산되기도 합니다. 두 가지 형태 모두 알루미늄, 붕소, 갈륨, 질소와 같은 원소를 도핑하여 반도체처럼 작동하도록 변경할 수 있습니다.

1. 높은 항복 전압

실리콘 카바이드(SiC)는 운석, 커런덤 퇴적물, 킴벌라이트 암석에서 매우 미량으로 자연적으로 발견되는 전자 재료이지만 대부분의 전자 디바이스 SiC는 합성 원료로 만들어집니다. SiC는 이와 같이 까다로운 애플리케이션에서 까다로운 전류/전압 요구 사항을 처리할 때 기존 실리콘 반도체를 대체할 수 있는 경제적인 대안을 제공합니다.

SiC 트랜지스터는 놀랍도록 높은 항복 전압으로 인해 전력 전자 전문가들 사이에서 입지를 다져왔습니다. 실리콘보다 10배 더 큰 임계 전기장 덕분에 SiC는 면적당 드리프트 레이어 저항을 크게 줄이면서 디바이스가 작동할 수 있어 내전압이 매우 높고 온저항 등급이 매우 낮습니다.

토템폴 역률 보정 및 동기식 부스트와 같은 하드 스위칭 토폴로지는 IGBT로 가능한 반면, 턴온 저항이 높은 IGBT와 바이폴라 트랜지스터는 상당한 발열 및 스위칭 손실로 이어집니다.

SiC의 넓은 밴드갭은 더 작은 게이트 산화물 층을 허용하여 기생 소자를 줄여 온저항을 낮추고 성능을 향상시키며, 과도한 열 발생 없이 고주파를 지원해야 하는 고속 스위칭 애플리케이션에서 특히 유리합니다.

SiC는 고속에서 뛰어난 성능으로 잘 알려져 있지만, 열 전도성은 실리콘보다 3배 이상 뛰어납니다. 따라서 SiC로 만든 디바이스는 실리콘 디바이스가 효과적으로 수행할 수 없는 내부 구조의 손상 없이 더 높은 온도에서도 많은 양의 초과 전력을 방출할 수 있어 전력 밀도를 높이고 손실을 줄일 수 있습니다.

2. 높은 열 전도성

탄화규소는 자연에서 흔히 모이사나이트라고 불리는 실리콘과 탄소의 합성물로, 반도체 특성을 지닌 청흑색의 광물로 자연적으로 발견되는 광물입니다. 트랜지스터와 같은 전자 장치는 작동 중에 열이 발생하기 때문에 열을 빠르게 발산할 수 있는 소재가 필수 구성 요소입니다.

실리콘 카바이드의 열 전도성은 생성된 열을 발산하는 데 필수적인 역할을 합니다. 열전도율이 높을수록 반도체 장치가 꺼진 후 더 빨리 냉각될 수 있습니다.

실리콘 카바이드의 우수한 열 전도성은 질화 갈륨과 같은 다른 반도체에 비해 격자 결함 밀도가 훨씬 높기 때문으로 설명할 수 있습니다. 따라서 칩 표면에서 더 많은 열이 빠져나가 물이나 공기 냉각 방법을 사용하여 쉽게 냉각할 수 있습니다.

탄화규소는 고밀도 구조와 격자 변형률 감소로 실리콘과 같은 다른 반도체 소재보다 전위 형성을 줄여주는 성능이 뛰어납니다.

탄화규소를 연구하는 연구원들은 격자 산소/질소 함량, 다공성, 입자 크기, 상 변환 및 첨가제 구성 등 열전도도에 영향을 미치는 다양한 요인을 탐구하여 이 물질의 열전도도가 높은 이유를 더 잘 이해하려고 노력했습니다. 이러한 요소를 개별적으로 평가하고 특정 요소가 높은 열전도율을 보이는 이유를 설명하는 연관성을 발견함으로써 열전도율을 더욱 개선하는 데 적용할 수 있는 지식을 얻을 수 있습니다.

3. 빠른 전환 속도

실리콘 카바이드는 실리콘과 탄소로 구성된 화합물로 대량 생산이 가능한 화학명 SiC로 더 많이 알려져 있습니다. 모이사나이트 광물에서 자연적으로 발견되며 반도체 특성을 가지고 있어 연마재, 세라믹 재료 및 금속 생산 산업의 원료로 사용되고 있습니다.

실리콘 카바이드 트랜지스터는 기존 실리콘 IGBT보다 차단 전압 기능이 뛰어나고 비 온 저항이 낮아 실리콘 트랜지스터보다 더 빠른 스위칭 속도를 지원하므로 엔지니어는 전기 자동차의 트랙션 인버터로 사용되는 것을 포함하여 더 나은 전력 변환 효율을 갖춘 더 작고 가벼운 설계를 만들 수 있는 시스템 최적화 기회를 더 많이 얻을 수 있습니다.

그러나 SiC와 같은 와이드 밴드갭 전력 반도체는 많은 장점을 제공할 수 있지만 단점도 있습니다. 이러한 반도체를 사용할 때 발생하는 주요 문제 중 하나는 고온을 견디지 못해 오프 상태 애플리케이션에서 누설 전류 증가 및 신뢰성 저하와 같은 문제가 발생한다는 점입니다.

엔지니어들은 더 높은 스위칭 주파수에서 작동하여 전도 손실 감소, 빠른 스위칭 및 효율성 향상과 같은 이점을 제공하는 최첨단 기술을 사용하여 전력 시스템을 보다 효율적으로 운영하고, 에너지 저장 시스템의 수동 부품 크기를 줄이고, 전기 자동차(EV) 견인 인버터, 회로 보호 및 재생 에너지와 같은 다양한 최종 사용 애플리케이션을 지원할 수 있게 되었습니다.

SiC와 같은 와이드 밴드갭 기술은 특정 애플리케이션에서 기존 실리콘을 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 스위칭 주파수가 증가하면 고급 제조 방법과 정밀 테스트 도구를 통해 해결해야 하는 몇 가지 고유한 과제를 안고 있습니다. 이 블로그 게시물에서는 고속 전력 반도체를 선택할 때 고려해야 할 주요 사항과 설계에 효과적으로 사용하기 위한 몇 가지 모범 사례를 살펴봅니다.

4. 낮은 온 저항

실리콘은 전자제품에 널리 사용되지만 고전력 애플리케이션에 적용하면 한계가 드러나기 시작합니다. 이에 비해 탄화규소는 훨씬 더 넓은 밴드갭을 제공하고 더 높은 온도에서 작동하므로 더 많은 전력과 속도를 제공할 뿐만 아니라 드라이브 요구 사항을 줄이고 회로 설계를 개선할 수 있습니다.

이는 소프트 스위칭 LLC 또는 TPPFC(전이 위상 역률 보정)와 같은 고주파 애플리케이션과 특히 관련이 있습니다. 소수 캐리어 디바이스는 이러한 주파수에서 IGBT의 턴온 저항을 줄이기 위해 종종 사용되지만, 상당한 스위칭 손실과 열 발생으로 인해 더 높은 주파수에서는 사용이 제한됩니다. 반대로 SiC 반도체 내의 다수 캐리어 디바이스(쇼트키 배리어 다이오드 및 MOSFET)는 턴온 저항을 줄이면서 더 높은 전압 정격을 가능하게 합니다.

SiC 반도체는 높은 파괴 강도를 특징으로 하여 금속 반도체에 비해 드리프트 레이어가 얇아지고 결과적으로 온저항이 감소하여 빠른 스위칭 속도에 이상적인 조건을 제공합니다. 더 짧은 게이트 길이와 결합하면 SiC MOSFET은 빠른 스위칭 속도에 적합합니다.

순수한 실리콘 카바이드는 본질적으로 전기 절연체이지만 불순물(도펀트) 또는 도핑제를 첨가하면 전자 반도체로 변형될 수 있습니다. 질소와 인을 도핑하면 n형 반도체가 되고 베릴륨, 붕소, 알루미늄 또는 갈륨을 도핑하면 p형 반도체를 만들 수 있습니다.

SiC MOSFET은 전력 전자 장치에 극적인 변화를 일으켰습니다. 실리콘보다 더 높은 차단 전압, 더 빠른 스위칭 시간, 더 낮은 온저항을 자랑하는 SiC MOSFET은 차세대 전력 전자 디바이스를 선도하고 있습니다.

5. 낮은 전력 손실

절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 및 실리콘 초접합과 같은 실리콘 기반 전력 부품은 오랫동안 안정적인 전원 공급원으로 사용되어 왔지만 고온이나 스위칭 주파수에 노출되면 한계를 보이기 시작합니다. 실리콘 카바이드 MOSFET과 같은 와이드 밴드갭 반도체는 이러한 한계를 극복할 수 있는 획기적인 성능 솔루션을 제공합니다.

실리콘 카바이드(SiC)는 오랫동안 연삭 휠과 세라믹의 연마재로 사용되어 왔지만 최근에는 고전력 전자 애플리케이션에서 기존의 실리콘 기반 전력 장치를 대체하기 위해 널리 채택되고 있습니다. 이러한 놀라운 변화는 실리콘과 탄소로 이루어진 합금인 SiC의 뛰어난 물리적, 전자적 특성 덕분입니다.

화합물 반도체에서 흔히 볼 수 있듯이 SiC는 화학적 구성이 한 차원에서 어떻게 변하는지에 따라 다양한 결정 구조가 형성되는 다형성을 나타냅니다. 4H-SiC 다형은 빠른 스위칭 시간과 높은 차단 전압 성능을 촉진하는 밀집된 육각형 원자 구조로 인해 전력 애플리케이션에 널리 선호됩니다.

실리콘과 SiC 디바이스는 절연 상태에서 전도 상태로 전환하는 데 필요한 에너지의 양인 밴드갭 폭에 따라 성능이 크게 달라집니다. 밴드갭이 넓을수록 더 많은 전기 에너지를 더 빠르고 효율적으로 전달할 수 있으며, 이는 전기 자동차 트랙션 인버터와 같은 고전력 애플리케이션에 특히 유용한 장점입니다.

SiC는 기존 실리콘 디바이스보다 열 저항이 낮기 때문에 유도성 및 정전 용량 부품을 더 작게 만들 수 있어 총 시스템 손실(전도 손실 및 스위칭 전력 손실 포함)을 줄일 수 있는 또 다른 주요 이점입니다. 하프 브리지 인버터에서는 효율성이 향상되고 시스템 비용이 낮아질 수 있습니다.