Halvleder av silisiumkarbid

Halvledere av silisiumkarbid har flere fordeler som gjør dem til et attraktivt alternativ til silisiumbaserte komponenter, blant annet evnen til å tåle høye spenninger, øke den termiske effektiviteten og redusere størrelsen og vekten på kraftelektroniske komponenter i elektriske kjøretøy.

SiC forekommer naturlig i moissanitt-edelstener og kimberlittforekomster, men det meste produseres syntetisk for bruk i elektroniske komponenter, strømforsyninger og atomreaktorer.

Stort båndgap

Silisiumkarbid (SiC) er et banebrytende halvledermateriale med et ekstremt bredt båndgap, noe som gjør at SiC-komponenter tåler høyere spenninger og strømstyrker enn sine silisiumbaserte motstykker, og dermed egner seg til kraftelektronikk, for eksempel drivomformere i elektriske kjøretøy og avbruddsfrie strømforsyninger.

Halvledere er materialer som vekselvis oppfører seg som ledere (som elektriske kobberledninger) og isolatorer (som polymerisolasjon på disse ledningene). Halvlederes båndgap er en energibarriere mellom valensbåndet (valence band) og ledningsbåndet (conduction band). Båndgapet gjør det mulig for halvlederkomponenter å slå strømmen på eller av etter behov i kretsene.

Båndgapets bredde avhenger av størrelsen og styrken på atombindingene i materialene, samt av temperaturen. Et bredere båndgap krever sterkere elektriske felt for å eksitere ladningsbærere; derfor er det egnet for høyspenningsanvendelser. Materialer med bredt båndgap har også lavere ledningstap enn tilsvarende silisiummaterialer.

Ifølge det amerikanske energidepartementet vil halvledere med bredt båndgap bli en integrert del av systemer for fornybar energi, som sol- og vindkraft. Videre vil halvledere med bredt båndgap bidra til raskere innføring av elektriske kjøretøy, gjøre det enklere å digitalisere prosesser i kraftindustrien, redusere livssykluskostnadene betydelig, gjøre WBG-kraftelektronikk mindre, raskere, mer pålitelig og mer kostnadseffektiv enn silisiumbaserte alternativer, samt tilby flere andre potensielle fordeler som gjør WBG-kraftelektronikk til attraktive alternativer til silisiumbasert kraftelektronikk.

Høy effekttetthet

Kraft-halvledere av silisiumkarbid har vist seg å være mer robuste ved høyere spenninger, lavere temperaturer og med lengre levetid enn tilsvarende komponenter laget av silisium (Si). Videre kan SiC-komponenter kombineres til mindre strømforsyninger med høyere effekttetthet, noe som gjør dem til det ideelle valget for kraftelektronikk som knytter vår verden sammen i dag og i fremtiden.

Halvledere av silisiumkarbid har store båndgap, noe som gjør at de kan overføre elektrisk energi mer effektivt enn tradisjonelle silisiumkomponenter. De skifter raskt mellom ledende og isolerende tilstand og minimerer dermed koblingstap, noe som fører til raskere strømkonvertering, lavere energikostnader og reduserte konverteringstap – noe som gjør dem ideelle for bruk i strømforsyninger til datasentre, vind- og solenergimoduler samt drivomformere for elektriske kjøretøy.

I takt med at etterspørselen etter fornybar energi øker, vil også behovet for pålitelige strømkilder øke. Halvlederstrømforsyninger basert på silisiumkarbid gir energibesparelser og forbedrer samtidig effektiviteten i systemer for fornybar energi, takket være høy koblingsfrekvens og god temperaturtålighet.

Uansett om det dreier seg om industrielle anvendelser eller batteridrevet teknologi, leverer Wolfspeed avanserte halvlederløsninger for effektelektronikk som er utviklet og produsert ved hjelp av SiC-teknologi – i tett samarbeid med Astrodyne TDI om innovative løsninger selv for de mest krevende anvendelsene.

Lav innkoblingsmotstand

Halvledere av silisiumkarbid har høyere blokkeringsspenningsevne enn tilsvarende silisiumhalvledere, noe som gjør dem bedre i stand til å håndtere større strømstyrker og koblingstap. Dette forbedrer effektomformingseffektiviteten og gjør dem egnet for høyspenningsapplikasjoner, for eksempel traksjonsomformere i elektriske kjøretøy.

Silisiumkarbid skiller seg fra vanlige silisiumhalvledere ved å ha et bredere båndgap enn andre materialer, for eksempel galliumnitrid (GaN). Et bredere båndgap gjør at SiC kan overføre elektrisk energi mer effektivt – noe som er ideelt for høyspenningsapplikasjoner, ettersom det også tåler høye temperaturer og strålingseksponering.

Silisiumkarbid har en ekstremt lav innkoblingsmotstand og kan slås på og av på under 10 nanosekunder – en uvurderlig egenskap for høyhastighetsapplikasjoner, da det reduserer energitapet samtidig som det øker driftshastigheten. Videre har silisiumkarbid lav temperaturavhengighet, noe som gjør at det kan brukes ved høyere temperaturer enn tradisjonelle halvledere.

Silisiumkarbid skiller seg ut fra tradisjonelle halvledermaterialer ved at smeltepunktet er langt lavere, i tillegg til at det er svært motstandsdyktig mot korrosjon fra salter og syrer, noe som gjør det perfekt for tøffe miljøer som marine anvendelser. Fordelene ved silisiumkarbid har ført til økt bruk i elektroniske enheter, da det har potensial til å øke rekkevidden gjennom økt effektivitet i trekkraftomformere – en av grunnene til at det til og med kan øke rekkevidden til elektriske kjøretøy!

Pålitelighet

Silisiumkarbid (SiC) er en uorganisk kjemisk forbindelse som består av silisium og karbon. SiC forekommer naturlig som edelstenen moissanitt og masseproduseres som pulver eller enkeltkrystaller for bruk som slipemiddel. SiC finnes også i skuddsikre vester; når det legges til aluminium, bor, gallium eller nitrogen som doteringsstoffer, oppfører det seg mer som et halvledermateriale, noe som skaper P-type- eller N-type-halvlederområder som er nødvendige for produksjon av elektroniske komponenter.

SiCs pålitelighet er et avgjørende aspekt ved bruken av det som kraftkomponenter med bredt båndgap i høyytelsesapplikasjoner, i motsetning til dets mer vanlige forgjenger, silisium. SiC gir høyere spenninger, høyere koblingsfrekvenser og lavere parasittiske effekter enn silisium; det er imidlertid visse viktige forhold man må ta hensyn til når man vurderer påliteligheten.

Pålitelighetstesting og levetidsprognosemodeller er avgjørende verktøy for å estimere den forventede levetiden til kraftkomponenter av silisiumkarbid. Industritester har vanligvis som mål å utsette komponentene for spenning eller strømstyrke utover deres maksimale nominelle verdier så lenge som mulig, noe som påfører dem unødig belastning og fører til slitasje – noe som igjen gir data som kan brukes til å forutsi gjennomsnittlig tid til feil (MTTF).

Produsentene må også være svært oppmerksomme på kosmisk stråling, som kan forårsake korrosjonsskader i oksidlagene til kraftkomponenter. Dette er særlig viktig i luftfartsapplikasjoner, der strålingsnivåene kan være opptil tre ganger høyere enn ved vanlige høyder i industrien.