Silicio karbido tranzistorius

Silicio karbido maitinimo įtaisai dėl puikių medžiagų savybių yra neatsiejama elektrinių transporto priemonių energijos vartojimo efektyvumo gerinimo dalis.

Grynas silicio karbidas yra izoliatorius, tačiau, kai jis legiruojamas priemaišomis (dopantais), jis gali virsti elektroniniu puslaidininkiu. Šiam tikslui naudojamos azoto arba fosforo dopingo medžiagos, kad būtų galima naudoti n tipo medžiagą, o aliuminio, boro arba galio dopingas gali paversti jį p tipo puslaidininkine medžiaga.

Aukštos įtampos gedimas

Silicio karbido puslaidininkiniai įtaisai vis dažniau laikomi tinkamu silicio įtaisų pakaitalu galios elektronikos įrenginiuose, kuriuose naudojama aukšta temperatūra arba įtampa, ypač kai naudojama aukšta įtampa arba temperatūra. Taip yra dėl itin didelio elektrinio lauko stiprio, kuris reiškia, kad jis gali atlaikyti daug didesnius srovės srautus nei silicio analogai, kartu atlaikydamas iki 10 kartų didesnę įtampą nei MOSFET - idealiai tinka aukštos įtampos grandinėms, naudojamoms elektrinėse transporto priemonėse ir palydovuose.

CNT išsiskiria didesniu draustinės juostos tarpu, kuris yra maždaug tris kartus didesnis už silicio 1,1 eV, todėl elektronai gali lengviau patekti į laidumo juostą ir praleisti elektrą, o sandūros nuotėkio srovės yra mažiau tikėtinos - tai yra pagrindinės savybės prietaisuose, skirtuose patikimam veikimui aukštesnėje temperatūroje.

Silicio karbidas pasižymi didesne skilimo įtampa dėl plonesnio išeikvojimo sluoksnio. Tai leidžia praleisti daugiau laisvųjų nešiklių, todėl didėja srovės tankis ir mažesni tranzistoriai, kuriems reikia mažiau energijos; didėja efektyvumas ir mažėja išskiriamos šilumos kiekis.

Vienas iš pagrindinių silicio karbido technologijos trūkumų buvo palyginti didelė jos kaina. Tačiau mokslininkai sukūrė nebrangų silicio karbido galios jungiklių gamybos būdą, kuris leidžia šią medžiagą naudoti aukštos įtampos įrenginiuose.

Jie tai pasiekė taikydami naują metodą, skirtą sujungti vienpolį ir dvipolį įtaisus į vieną struktūrą, vadinamą sujungtais kaištiniais-Šotkio diodais arba MPS diodais, kuris leido palyginti epitaksinių ir implantuotų jungčių charakteristikas; epitaksiniai diodai pasirodė esą stabilesni, nes jų atsparumas atvirkštinei srovei esant aukštai temperatūrai (RDS(ON)) yra didesnis.

Silicio karbidas netrukus gali būti plačiau naudojamas galios elektronikos srityse, o tai būtų naudinga ir ekonomikai, ir aplinkai. Nors SiC jau naudojamas kai kuriose srityse, pavyzdžiui, šviesos diodų šviesos spinduliuose ir ankstyvųjų radijo imtuvų detektoriuose, didžiulis jo potencialas reiškia, kad netrukus jį bus galima rasti visur - nuo antžeminių elektrinių transporto priemonių iki prietaisų Venerą tyrinėjančiuose roveriuose ar zonduose, skirtuose ištverti ekstremalias temperatūras.

Didelis srovės tankis

Silicio karbidas yra itin kieta ir tanki medžiaga, turinti keletą savybių, dėl kurių ji sėkmingai naudojama kaip puslaidininkinių prietaisų elementas. Viena iš tokių savybių - didelis elektrinio lauko stipris, dėl kurio iš jo pagaminti prietaisai gali toleruoti daug didesnį srovės tankį, nei būtų įmanoma naudojant silicio prietaisus, todėl galima naudoti didelės galios prietaisus ir greičiau perjungti didesnes apkrovas. Be to, dėl mažesnės įjungimo varžos sumažėja nuostoliai, o tai ypač naudinga projektuojant galios keitiklius ar panašias konstrukcijas.

Silicio karbido tranzistoriai pasižymi didele pramušimo įtampa, todėl jie gali veikti aukštesnėje temperatūroje nei kiti puslaidininkiai, todėl yra labai naudingi aukštoje temperatūroje, pavyzdžiui, elektrinių transporto priemonių maitinimo šaltiniuose arba kosminėse misijose naudojamoje įrangoje. Padėdami sumažinti šių prietaisų išskiriamą šilumą, jie gali pagerinti efektyvumą ir kartu padidinti patikimumą.

Silicio karbidas jau seniai pripažintas kaip puslaidininkinė medžiaga, kuri gali praleisti elektros srovę, kai yra legiruota tam tikromis priemaišomis, tačiau komercinės kokybės prietaisai, pagaminti iš šios medžiagos, buvo realizuoti tik neseniai, nes jos kristalumas susidaro į daugiau kaip 150 politipų, todėl auginimas, tinkamas elektroninių prietaisų gamybai, yra sudėtingesnis, nei buvo tikėtasi anksčiau.

Siekiant sukurti šiuos naujus galios puslaidininkius, buvo panaudotas unikalus apdorojimo metodas. Tai pasiekta naudojant anglies jonų pluoštus, po to - terminę oksidaciją arba abu procesus kartu, kad būtų sumažintas anglies vakansijų defektų tankis.

SiC prietaisai paprastai turi vienpolę tranzistoriaus struktūrą su metaliniu anodu arba p+n diodu, sumontuotu viršutiniame sluoksnyje, ir n sluoksniu (įtampos blokavimo sritimi), prijungtu prie mažos varžos pagrindo, kuris leidžia tekėti srovei esant teigiamam šališkumui, o esant neigiamam šališkumui blokuoja visą srovę. Toks išdėstymas leidžia tekėti srovei, kai yra teigiamas šališkumas, bet visiškai ją užkerta, kai yra neigiamas šališkumas.

Maža įjungimo varža

Silicio karbidas (SiC) gerai žinomas kaip abrazyvinė medžiaga ir neperšaunamų liemenių keramikoje naudojamas komponentas, tačiau dėl savo puslaidininkinių savybių jis taip pat gali pakeisti silicio pagrindu pagamintus prietaisus galios elektronikoje. SiC įtaisai pasižymi didele blokavimo įtampa, greitu perjungimo laiku ir maža įjungimo varža, kuri padeda sumažinti nuostolius, kai jie naudojami tokiose srityse kaip elektrinių transporto priemonių traukos inverteriai ir borto įkrovikliai.

Silicio karbido elektrinės charakteristikos jau seniai pripažintos geresnėmis nei tradicinių silicio puslaidininkių. Visų pirma ši plataus juostos tarpo medžiaga pasižymi itin aukšta lydymosi temperatūra, maža dielektrine skvarba ir itin dideliu pramušimo lauko stipriu, taip pat dideliu soties elektronų dreifo greičiu ir šiluminio laidumo vertėmis - visa tai leidžia ją naudoti elektroninių puslaidininkinių prietaisų gamyboje.

Tačiau iki šiol komercinės kokybės prietaisai, pagaminti iš silicio karbido, buvo nepasiekiamas tikslas dėl didžiulės jo politipų įvairovės; sukurti didelius monokristalus ir plonas plėveles, reikalingas MOSFET gaminti, buvo itin sudėtinga.

"Cree" ir kitoms bendrovėms pavyko pasiekti proveržį silicio karbido technologijoje įdiegus "Gate-Injection". Šis procesas leidžia įrenginius valdyti mažesne užtūros srove, todėl sumažėja jų įjungimo būsenos varžos priklausomybė nuo temperatūros, o kartu pagerėja našumas.

Todėl MOSFET gali būti saugiai valdomi iki didesnių darbinių įtampų, nepadidinant varžos būsenos ir nesukeliant parazitinio poveikio, pavyzdžiui, užtūros oksido nuotėkio, o tai yra didelis pranašumas, palyginti su įprastais IGBT ir bipoliniais tranzistoriais, kuriuos reikia mažinti, kai jie valdomi viršijant vardines vertes.

"UnitedSiC" prisijungė prie "Qorvo" įmonių grupės 2021 m. lapkritį, tiekdama mažos įjungimo varžos silicio karbido FET, kurių vardinė įtampa 750 V/6 mOhm, užtikrinančius efektyvumo padidėjimą, būtiną didelės galios taikymams, tokiems kaip elektrinių transporto priemonių (EV) traukos inverteriai, pramoninės galios konversijos ir atsinaujinančiosios energijos sistemos. Šie FET leidžia projektuotojams sumažinti sistemos dydį, svorį ir sudėtingumą, kartu padidinant galios tankį ir patikimumą - pagrindines savybes, kurios yra labai svarbios projektuojant.

Platus dažnių juostos tarpas

Silicis yra vienas iš plačiausiai naudojamų puslaidininkių elektroniniuose prietaisuose. Tačiau artėjant jo apribojimams didelės galios srityse, du sudėtiniai puslaidininkiniai įtaisai, siūlantys sprendimus, yra galio nitrido (GaN) ir silicio karbido (SiC) galios tranzistoriai - kiekvienas iš jų turi unikalių privalumų, todėl jie yra puiki alternatyva standartiniams IGBT ir Si MOSFET galios konversijos grandinėse.

Sudėtiniai puslaidininkiai pasižymi plačia pralaidumo juosta, todėl jie gali veikti daug aukštesnėje temperatūroje nei jų silicio analogai. “Platus” reiškia energijos tarpą tarp jų valentinės ir laidumo juostų, kuris yra maždaug tris kartus didesnis nei silicio 1,12 eV tarpas, todėl prietaisai su tokiu platesniu tarpu gali dirbti su didesnėmis įtampomis ir srovėmis be terminio aktyvavimo trikdžių.

GaN ir SiC gali veikti aukštesniais perjungimo dažniais, o tai leidžia sumažinti energijos nuostolius ir padidinti efektyvumą elektroninėse grandinėse. GaN ir SiC taip pat pasižymi dešimt kartų didesniu įtampos tolerancijos lygiu nei silicis, todėl puikiai tinka tokioms sritims kaip greiti unipoliniai jungikliai.

Šiems puslaidininkiams naudingas didesnis juostos tarpas, kuris leidžia gaminti plonesnes plokšteles nei tradiciniai silicio prietaisai, todėl sumažėja jų būsenos varža ir padidėja jų prietaisų kritinis pramušimo laukas. Be to, dėl didesnio kritinio lauko vienodos vardinės įtampos prietaisai su mažesniais prietaisais gali ekonomiškiau pasiekti tam tikrą vardinę įtampą ir sumažinti bendrą galios keitiklių dydį.

Didėjant elektrinių transporto priemonių paklausai, didėja ir patikimų galios elektronikos sistemų, galinčių apdoroti ir paversti elektros energiją į naudingąją, poreikis. Nors silicio puslaidininkiai, naudojami kaip galios konversijos grandinių komponentai, turi savo apribojimų, nauji pasiekimai išplėtė galimybes naudojant plačios juostos puslaidininkius.

Dėl šių naujų technologijų elektros energijos konversijos sistemos tampa gerokai mažesnės ir efektyvesnės nei kada nors anksčiau. Neseniai "Cree" pristatė pirmąjį pramonėje šešių SiC MOSFET galios modulį, supakuotą į standartinę 45 mm pakuotę, kuris sumažina galios nuostolius net 75%, o kartu 50% padidina galios tankį ir 70% sumažina bendrą sistemos kainą.