Halvleder av silisiumkarbid

Silisiumkarbidhalvledere er en ukonvensjonell halvleder med bredt båndgap som har en rekke iboende fordeler i forhold til silisiumkomponenter, blant annet høyere driftstemperaturer, raskere koblingsfrekvenser og reduserte enhetstap. SiC-kraftkomponenter har betydelig lavere kostnader enn sine silisiumbaserte motstykker, på grunn av en reduksjon i substratkostnadene som utgjør en enorm andel av de totale komponentutgiftene.

Høy temperatur

Silisiumkarbid (SiC) er et ekstremt hardt og ildfast halvledermateriale som trives i tøffe miljøer der elektronikk flest ikke kan fungere, inkludert høye temperaturer, ekstreme vibrasjoner, fiendtlige kjemiske miljøer og strålingseksponering. SiC-sensorer og -elektronikk som tåler disse ekstreme forholdene, kan revolusjonere mange systemer - fra kraftoverføring for elektriske biler og offentlige forsyningsanlegg til kraftigere mikrobølger for radar- og mobiltelefonkommunikasjon.

En metode for å produsere SiC er Lely-prosessen. Her sublimeres SiC-pulver til høytemperaturarter av silisium, karbon og silisiumdikarbid, som deretter deponeres som flaklignende enkeltkrystaller ved 2500 grader C før de deponeres på substrater. Dette resulterer i høykvalitets 6H-SiC-enkeltkrystaller med en størrelse på opptil 2 cm2.

Det har blitt utviklet flere lavtrykkspolytyper av SiC, blant annet 3C, 4H, 15R og 21R. Alle polytypene har sterke fononmodi med lignende strukturer. Forskere har studert absorpsjonskantenes trykkavhengighet. En undersøkelse av nitrogendopet 6H-SiC avslørte at båndgapet hadde en invariant negativ trykkderivert, og dette funnet bekreftet teoretiske beregninger.

Høyspent

Høyspenningsenheter som halvledere, dioder og IGBT-er er kritiske komponenter i alt fra motorstyring, solcelleomformere og batteriladere til motorsport. Dessverre krever deres store fotavtrykk betydelig varmeeffekt, noe som fører til betydelige ledningstap. Ved å bruke silisiumkarbid (SiC)-komponenter kan man redusere koblingstapet og samtidig øke påliteligheten med høyere blokkeringsspenninger og redusert ledningstap.

SiC skiller seg fra silisium ved en betydelig høyere elektrisk feltstyrke, noe som gjør det mulig å oppnå høyere driftstemperaturer uten å miste ytelse. Dette gjør SiC til et utmerket valg for høyspenningsenheter som IGBT-er, SB-dioder og MOSFET-er. I tillegg gjør det tre ganger bredere båndgapet SiC mer egnet for ekstreme forhold enn silisium.

Flere selskaper har utviklet MOSFET-er i silisiumkarbid med bredt båndgap (WBG) som er spesielt utviklet for omformere i bilindustrien og industrien, med 650 V brytningspunkt og noe av den laveste on-state-motstanden per areal som er tilgjengelig på noen enhet i denne klassen. ON Semiconductors NTH4L015N065SC1 SiC MOSFET har en intern gatemotstand som eliminerer eksterne motstander i drivkretser og gir raskere koblingstider.

Høyfrekvent

Høyfrekvente halvledere i silisiumkarbid hadde en betydelig markedsandel i 2021 og forventes å oppleve fortsatt vekst i prognoseperioden, på grunn av det brede båndgapet som bidrar til å redusere strømtap og pålitelighet for høyhastighets koblingsapplikasjoner. Silisiumkarbid har også mange bruksområder innen skinnegående transport og elektriske kjøretøy, der enhetene bidrar til å redusere størrelsen og vekten på utstyret, noe som gir lavere driftskostnader og økt effektivitet - for eksempel ved å forbedre påliteligheten til Japans Shinkansen-tog ved at de brukes som traksjonsomformere.

Halvlederkomponenter av silisiumkarbid har hatt en enorm vekst de siste årene på grunn av økt satsing på bærekraft og elektrifisering, og gir overlegen ytelse i forhold til silisium og silisiumarsenid i høyspennings-/frekvensapplikasjoner. Galliumnitrid (GaN) er også en viktig del av tredjegenerasjons halvlederkomponenter og gir flere muligheter enn silisium når det gjelder høyspennings-/frekvensapplikasjoner.

Silisiumkarbid (SiC) er en legering som består av silisium og karbon. Denne kjemiske forbindelsen har sterke kovalente bindinger som ligner på diamanter. SiC produseres ved å kombinere silisiumdioksyd med karbon i en elektrisk ovn ved høye temperaturer; båndgapet er målt til 3,26 eV. I tillegg kan SiC fungere under høyere temperaturer, spenninger og frekvenser enn silisium.

Høy effekt

Halvledere av silisiumkarbid gir høy effekt samtidig som de bidrar til å redusere vekt, størrelse og kostnader i elektroniske enheter. Temperatur- og spenningstoleransen gjør dem egnet for ladestolper, datasentre og andre krevende bruksområder - spesielt de som involverer elektriske kjøretøy. I tillegg gjør den raskere koblingshastigheten og den reduserte ON-motstanden dem til et bedre valg enn silisiumkomponenter - noe som er spesielt viktig med tanke på fremtidige bruksområder innen skinnegående transport, der bæreevne vil være en viktig drivkraft for vekst.

Silisiumkarbid, også kalt moissanitt, ble først oppdaget i meteoritter for over 4,6 milliarder år siden. I dag utvinnes det fra jorden i små mengder for bruk som edelstener, men det meste produseres kunstig; oftest dopet med nitrogen- eller fosfordopingsmidler for edelstener og beryllium-, bor- eller aluminiumdopingsmidler for juvelproduksjon. Silisiumkarbid kan også dopes n-type med nitrogen- og fosfordopingsmidler, mens den harde, fargeløse overflaten tillater doping av dopingmidler som tillater doping av både n-type og p-type, avhengig av om dopingen skjer naturlig eller kunstig - omtrent slik diamantsmykker ville sett ut. Silisiumkarbid kan også produseres kunstig som moissanitt-juveler fra meteoritter fra over 4,6 milliarder år siden! Det kan deretter brukes i juvelproduksjon. Det meste av silisiumkarbid kan også produseres kunstig siden den gang! Fargeløst hardt stoff som kan dopes enten med nitrogen- eller fosfordoping, mens det kan p-dopes med beryllium, bor eller aluminium avhengig av ønsket anvendelse! Silisiumkarbid ble først oppdaget i meteoritter fra jorden så langt tilbake som. 4,6 milliarder år siden! 4,6 milliarder år siden! For 4,6 milliarder år siden...

SiC er en innovativ forbindelse som består av silisium (atomnummer 14) og karbon (atomnummer 6), bundet sammen av sterke kovalente bindinger for å danne en virkningsfull kjemisk forbindelse med sekskantet struktur og et ekstremt bredt båndgap som halvleder - tre ganger bredere enn tradisjonelt silisium! Det har også unike elektriske egenskaper som kan gjøre det ønskelig for visse bruksområder.

Lav temperatur

Silisiumkarbid er et industrielt materiale som tåler høye temperaturer og spenninger, noe som gjør det til det perfekte materialvalget for krafthalvledere. På grunn av materialets holdbarhet og langvarige drift vil bruk av tynnere wafere føre til økt effektivitet, samtidig som påliteligheten muliggjør langvarig drift og lengre levetid. Silisiumkarbid har dessuten lave termiske ekspansjonshastigheter og er dessuten kjemisk inert.

Hardt og korrosjonsbestandig silisiumkarbid er et utmerket slipemateriale, og brukes i stor utstrekning til kutting av ildfaste materialer som kjølt jern, marmor og granitt, sliping av elektrisk stål, karborundumtrykk (ved bruk av tørt, granulert silisiumkarbid til å trykke bilder), karborundumtrykkteknikker og produksjon av karborundumpapir er også vanlig ved bruk av slipende silisiumkarbidplater som verktøy, og det brukes også til produksjon av slipepapirprodukter.

Naturlig moissanitt finnes bare i svært små mengder i meteoritter, korundforekomster og kimberlitt. Det meste av den kommersielt tilgjengelige moissanitten produseres syntetisk ved å løse opp karbon i smeltet silisium for å danne alfa-silisiumkarbid, som kombineres med aluminiumoksid for å danne karborundum eller b-SiC, kjent som karborundum. Denne stabile forbindelsen har en kubisk diamantstruktur med SiC-tetraederer som er halvveis fylt ut, noe som gir god ledningsevne takket være at den har samme atomradius som andre diamantkrystaller, i tillegg til at den har egenskaper med høyt smeltepunkt.

Lavspenning

Halvledere av silisiumkarbid har fått bred aksept i kraftelektronikkbransjen på grunn av sin effektivitet, holdbarhet og kjøleegenskaper. De brukes i stor utstrekning i strømomformere, elbilladere, solcelleomformere, motordrifter og motorstyringer samt i miljøer med høyere temperatur/spenning enn konvensjonelle silisiumkomponenter - særlig takket være lavere turn-on-motstand og svitsjetap som egner seg for høyhastighetsapplikasjoner.

Effekthalvledere forventes å bli en viktig teknologi i bilindustrien på grunn av de mange fordelene de har i forhold til tradisjonelle enheter. De har bredere båndgap, noe som muliggjør drift over et bredere temperatur- og spenningsspekter, i tillegg til redusert energiforbruk og vekt.

SiC kan erstatte IGBT-er og bipolare transistorer som har høy gjennomslagsspenning og høye koblingstap, med raskere koblingsenheter som har lavere on-motstand, noe som gir mindre effekttap og varmeutvikling. SiCs brede båndgap gjør at disse enhetene kan svitsje raskere, samtidig som de har mindre on-motstand, noe som gir mindre varmeutvikling og effekttap.

Silisiumkarbid er et amorft naturmateriale som finnes i ekstremt sjeldne former, for eksempel i moissanittjuveler. Silisiumkarbid produseres ved at silisiumdioksyd reagerer med karbon i en elektrisk ovn ved høye temperaturer, og kan også brukes i karborundumtrykk ved hjelp av en aluminiumsplate dekket med karborundumkorn for trykkteknikker som for eksempel karborundumtrykk.

Lav pris

Halvlederkomponenter av silisiumkarbid har fått økende interesse i hele teknologisektoren på grunn av sin kompakte natur og overlegne elektriske ytelse, pålitelighet, høyere spenningsmotstand og temperaturtoleranse enn eldre komponenter, enkel håndtering og installasjon og liten størrelse, noe som har ført til en dramatisk økning i etterspørselen etter dem.

Silisiumkarbid (SiC) er en uforgjengelig kjemisk forbindelse med sekskantet struktur som består av silisium og karbon bundet sammen med sterke kovalente bindinger for å danne sterke tetraedriske kovalente bindinger. SiC har et eksepsjonelt bredt båndgap, slik at elektronene fritt kan bevege seg rundt i sp3-hybridorbitalene - noe som gjør det til et allsidig materiale med mange bruksområder og fordeler.

Halvledere av silisiumkarbid har opplevd en eksplosiv vekst på grunn av økende etterspørsel fra elbiler og 5G-infrastruktur, særlig på grunn av høy kritisk gjennomslagsspenning, lavere innkoblingsmotstand og økt effekttetthet - viktige drivkrefter bak den fenomenale økningen.

Silisiumkarbidhalvledere har overlegen varmeledningsevne og tåler høye temperaturer, noe som gjør dem til det perfekte materialet for produksjon av halvlederkomponenter med høy effekt. Slike enheter finnes i høyenergilasere, solceller og fotodetektorer, og de brukes også som termistorer/varistorer i høytemperaturovner.