Silicio karbido puslaidininkis

Silicis gerai žinomas kaip pagrindinė puslaidininkių gamybos medžiaga, tačiau dar viena medžiaga gali tapti kitu svarbiu dalyku elektros energijos srityje - silicio karbidas.

Silicio karbidas (SiC) pasižymi geresnėmis elektrinėmis ir šiluminėmis savybėmis nei silicis, gerokai didesne pramušimo įtampa ir mažesniu įjungimo pasipriešinimu, kai tai susiję su didelės spartos perjungimo programomis. Dėl šių privalumų SiC yra tinkamesnė medžiaga nei silicis tokioms užduotims atlikti.

Privalumai

Silicio karbido puslaidininkiai naudojami daugelyje elektroninių prietaisų - nuo elektrinių transporto priemonių ir saulės energijos sistemų iki 5G technologijos. Dėl savo išskirtinių šiluminių ir elektrinių savybių jie yra ekonomiškesni nei jų silicio analogai, todėl jų populiarumas bėgant metams labai išaugo. Atitinkamai išaugo ir paklausa.

Silicio karbido puslaidininkiai pasižymi daugeliu privalumų, susijusių su energijos vartojimo efektyvumu, didesniu perjungimo greičiu, mažesniais prietaisų nuostoliais ir didesniu atsparumu aukštoms temperatūroms bei pramušimo įtampoms, palyginti su silicio puslaidininkiais. Be to, dėl patvaresnės konstrukcijos jie geriau atlaiko sudėtingas aplinkos sąlygas; visa tai prisideda prie to, kad jie tampa populiariu pasirinkimu naujose srityse, pavyzdžiui, elektromobilių įkrovimo stotelėse ir saulės energijos keitikliuose.

IGBT ir bipoliniai tranzistoriai anksčiau buvo pagrindiniai galios elektronikos prietaisai, tačiau šie prietaisai susiduria su įvairiomis problemomis, pvz., ribotu perjungimo dažniu ir pernelyg dideliu šilumos išsiskyrimu. SiC prietaisai turi platesnius dažnių juostos tarpus, kurie leidžia pasiekti didesnius perjungimo dažnius ir mažesnę įjungimo varžą, be to, jų lydymosi temperatūra yra žemesnė nei silicio, todėl jie lengvai toleruoja aukštesnę temperatūrą.

Priklausomai nuo pritaikymo, silicio karbido puslaidininkiai gali būti naudojami kartu su kitomis medžiagomis, pavyzdžiui, polimerais ir keramika, todėl turi būti kruopščiai išbandyti, kad būtų užtikrinta kokybė ir sauga - tokie metodai yra rentgeno spindulių fluorescencijos bandymas ir švytėjimo išlydžio masės spektrometrija (GDMS).

Paraiškos

Silicio karbidas yra įspūdinga medžiaga, galinti iš esmės pakeisti galios elektroniką. Silicio karbidas yra plataus juostos tarpo puslaidininkis, todėl, palyginti su silicio puslaidininkais, turi daug pranašumų, nes gali atlaikyti įtampos šuolius, greičiau persijungti, turi mažesnius prietaisų nuostolius ir yra atsparus aukštesnėms temperatūroms - dėl šių savybių jis tinka tiek elektra varomoms transporto priemonėms, tiek pramoninėms reikmėms, tiek saulės energijos keitikliams.

Silicio karbidas (SiC) yra lengviausia ir kiečiausia keraminė medžiaga, pasižyminti puikiu šilumos laidumu ir cheminiu atsparumu rūgštims bei šarmams. Be to, SiC pasižymi 10 kartų didesne elektrine izoliacija nei silicis ir itin dideliu pramušamojo lauko stipriu, kuris dešimt kartų viršija silicio pramušamojo lauko stiprį, ir yra visiškai netoksiškas.

SiC maitinimo įtaisai tapo nepakeičiamu šaltiniu įvairiose taikomosiose programose. Šie maitinimo įtaisai yra naudingi įvairiuose sektoriuose ir pramonės šakose - nuo elektromobilumo proveržio iki skaitmeninimo pramoninėje aplinkoje. Nuo akumuliatorių valdymo sistemų ir borto įkroviklių iki DC/DC keitiklių - SiC prietaisai greitai tapo pramonės standartu, padedančiu užtikrinti tvaresnį gyvenimą ir kartu mažinančiu įkrovimo stotelių išlaidas.

Silicio karbidas dėl savo unikalių fizikinių ir elektroninių savybių sukėlė revoliuciją galios elektronikoje. Kadangi silicio karbidas yra vienas iš vienintelių plataus pralaidumo puslaidininkių, turinčių šešiakampę kristalinę struktūrą (4H-SiC), jis yra puiki medžiaga aukštos įtampos galios prietaisams, kurie turi atlaikyti atšiaurias aplinkos sąlygas ir pasižymėti didesniu perjungimo greičiu, mažesniais nuostoliais ir gali būti naudojami net labai aukštais dažniais, nesumažinant našumo ir patikimumo. Ši medžiaga galėtų pakeisti esamus IGBT arba bipolinius tranzistorius, nesumažindama našumo ar patikimumo.

Gamyba

Silicio karbidas (SiC) yra itin universali puslaidininkinė medžiaga. Jis gali būti stipriai legiruotas tiek n, tiek p tipo azotu, fosforu, aliuminiu ar kaliu, kad būtų pasiektas metalinis laidumas ir gryni SiC kristalai įgautų vaivorykštės blizgesį; pramoninės klasės kristalai dažnai turi geležies priemaišų, kurios keičia spalvą iš rudos į juodą.

Šio puslaidininkio izoliacines savybes lemia jo kristalinė struktūra. Jo atomų sluoksniai sukuria glaudų sandūrą tarp valentinės ir laidumo juostų, todėl elektronų judėjimas tarp sluoksnių tampa sudėtingesnis - dėl to jis gali atlaikyti beveik dešimt kartų didesnius elektrinius laukus nei silicis.

Silicio karbido Šotkio diodai pasižymi mažesniu įjungimo pasipriešinimu ir bendruoju užtūros krūviu, todėl yra efektyvesni ir greitesni už silicio analogus - idealiai tinka daug energijos reikalaujančioms reikmėms, pavyzdžiui, elektros energijos keitikliams ir jungikliams elektromobiliuose ar atsinaujinančiosios energijos sistemose.

Silicio karbido puslaidininkių gamyba yra sudėtingas procesas. Jis apima kelių įrenginių naudojimą, kad būtų pagamintos plokštelės, kurių paviršiaus šiurkštumas yra mažesnis nei 1 mikronas, o po to jos poliruojamos cheminio mechaninio poliravimo (CMP) skysčiu ant veltinio ar uretanu impregnuotų padėkliukų, kad būtų pašalinti pažeidimai ir paviršiaus oksidacija - šis etapas, vadinamas cheminiu mechaniniu poliravimu, yra labai svarbus, kad substrato paviršiai būtų paruošti epitaksiniam augimui, kartu išlaikant plokštelės formos stabilumą.

Kainodara

Silicio karbidas būna įvairių formų ir pritaikymo būdų. Nuo pjovimo įrankių ir abrazyvinių medžiagų iki puslaidininkių ir net permatomo mineralo moisanito - silicio karbidas nuo 1893 m. gaminamas sintetiniu būdu didelėse gamyklose ir randamas gamtoje. Būdamas kieta ir patvari medžiaga, jis gali atlaikyti ir aukštą temperatūrą, ir mechaninę apkrovą nesulūždamas.

Silicio karbido puslaidininkiai sparčiai plečiasi pasaulinėje rinkoje, nes įmonės ieško veiksmingų energijos valdymo sprendimų. Dėl savo unikalių šiluminių ir elektrinių savybių jie yra populiarus pasirinkimas pramonėje; be to, jų pritaikomumas leidžia gamintojams sumažinti gamybos sąnaudas.

"Allegro Microsystems" yra viena iš tokių bendrovių, besiplečiančių siekiant patenkinti didėjančią silicio karbido puslaidininkių paklausą. Būdama viena iš variklių pavarų jutiklių ir galios sprendimų pramonės lyderių, "Allegro" plečiasi, kad patenkintų paklausą.

Silicio karbidas yra neatsiejama galios puslaidininkių sudedamoji dalis, kuri vis dažniau naudojama elektromobilių akumuliatorių įkrovikliuose, elektromobiliuose įrengtose įkrovimo sistemose, nuolatinės srovės DC-DC keitikliuose, vėjo turbinose ir fotovoltiniuose keitikliuose, nes didėja atsinaujinančiųjų energijos šaltinių paklausa. Kiti pagrindiniai dalyviai: II-VI Coherent Corp., Semiconductor Components Industries LLC ir WOLFSPEED INC. Prognozuojama, kad silicio karbido naudojimas galios puslaidininkiuose skatins šio rinkos segmento augimą.