Silisiumkarbid-transistor

Silisiumkarbid er i ferd med å revolusjonere kraftelektronikken. Det er i ferd med å erstatte tradisjonelle silisiumtransistorer, samtidig som det gir betydelige ytelsesforbedringer.

På grunn av materialets fysiske og elektroniske egenskaper kan ingeniører vegre seg for å ta i bruk denne teknologien. Dessverre kan misoppfatninger hindre dem i å ta den i bruk fullt ut.

Silisiumkarbid forekommer naturlig som moissanitt og syntetisk fremstilt. Begge former kan endres til å oppføre seg som halvledere ved doping med grunnstoffer som aluminium, bor, gallium og nitrogen.

1. Høy nedbrytningsspenning

Silisiumkarbid (SiC) er et elektronisk materiale som finnes naturlig i svært små mengder i meteoritter, korundavleiringer og kimberlittbergarter, mens det meste av SiC i elektroniske enheter kommer fra syntetiske kilder. SiC er et økonomisk alternativ til tradisjonelle silisiumhalvledere når det stilles høye strøm-/spenningskrav i krevende bruksområder som dette.

SiC-transistorer har gjort seg fortjent til en plass blant kraftelektronikkeksperter på grunn av sin imponerende høye gjennomslagsspenning. Takket være det 10 ganger større kritiske elektriske feltet enn i silisium, kan SiC-enheter fungere med betydelig redusert driftlagsmotstand per areal, noe som gir imponerende høye motstandsspenninger og ekstremt lav innkoblingsmotstand.

Med IGBT-er er det mulig å bruke hard-switching-topologier som totempol-effektfaktorkorreksjon og synkron boost, mens IGBT-er og bipolare transistorer har høyere turn-on-motstand, noe som fører til betydelig varmeutvikling og switching-tap.

SiCs brede båndgap gir mulighet for mindre gateoksidlag, noe som fører til færre parasittiske elementer og dermed lavere på-motstand og forbedret ytelse - en fordel som er spesielt gunstig i høyhastighetssvitsjingsapplikasjoner der høye frekvenser må støttes uten å skape for mye varme.

SiC er velkjent for sin overlegne ytelse ved høye hastigheter, men varmeledningsevnen er enda bedre, mer enn tre ganger så høy som for silisium. Dette gjør at enheter laget av SiC kan avlede store mengder overskuddseffekt selv ved høye temperaturer uten å skade de interne strukturene - noe silisiumenheter ikke kan gjøre på en effektiv måte, noe som fører til høyere effekttetthet og mindre tap.

2. Høy varmeledningsevne

Silisiumkarbid, som i naturen ofte kalles moissanitt, er en sammensetning av silisium og karbon som finnes naturlig som et blåsvart mineral med halvlederegenskaper. Fordi elektroniske enheter som transistorer genererer varme under drift, er materialer som er i stand til å avlede varmen raskt, viktige komponenter.

Silisiumkarbidets varmeledningsevne spiller en viktig rolle når det gjelder å lede bort varmen som produseres. En høyere varmeledningsevne gjør at halvlederenheter kjøles ned raskere når de er slått av.

Silisiumkarbid har en overlegen varmeledningsevne som kan forklares med at det har en mye høyere tetthet av gitterdefekter enn andre halvledere, som galliumnitrid. Dette gjør at mer varme kan slippe ut av overflaten på en chip og deretter enkelt kjøles ned ved hjelp av vann- eller luftkjøling.

Silisiumkarbid har en tett struktur og redusert gitterspenning, noe som gjør det overlegent andre halvledermaterialer som silisium når det gjelder å redusere dannelsen av dislokasjoner.

Forskere som studerer silisiumkarbid, har undersøkt ulike faktorer som påvirker varmeledningsevnen for å bedre forstå hvorfor dette materialet har så høy varmeledningsevne, for eksempel gitterinnhold av oksygen/nitrogen, porøsitet, kornstørrelse, fasetransformasjon og tilsetningsstoffsammensetning. Ved å evaluere disse elementene hver for seg og oppdage sammenhenger mellom dem som forklarer hvorfor spesifikke aspekter ved materialet har høy varmeledningsevne - kunnskap som deretter kan brukes til å forbedre det ytterligere.

3. Høy koblingshastighet

Silisiumkarbid, bedre kjent under det kjemiske navnet SiC, er en kjemisk forbindelse som består av silisium og karbon, og som kan masseproduseres. Det finnes naturlig som moissanittmineral og har halvlederegenskaper, og det har blitt brukt som slipemiddel, keramisk materiale og råmateriale i metallproduksjonsindustrien.

Silisiumkarbidtransistorer har større blokkeringsspenningskapasitet og lavere spesifikk on-motstand enn tradisjonelle silisium-IGBT-er, noe som muliggjør høyere koblingshastigheter enn tilsvarende silisiumtransistorer og dermed gir ingeniører flere systemoptimaliseringsmuligheter for å skape mindre, lettere konstruksjoner med bedre effektkonverteringseffektivitet - inkludert de som brukes som traksjonsomformere i elektriske kjøretøy.

Men selv om effekthalvledere med bredt båndgap, som SiC, kan ha mange fordeler, har disse enhetene også ulemper. Et av hovedproblemene med slike halvledere er at de ikke tåler høye temperaturer - noe som fører til problemer som økt lekkasjestrøm i off-state-applikasjoner og redusert pålitelighet.

Ingeniørene har begynt å bruke banebrytende teknologier som opererer ved høyere koblingsfrekvenser, noe som gir fordeler som lavere ledningstap, raskere kobling og økt effektivitet - noe som gjør at kraftsystemer kan fungere mer effektivt, redusere størrelsen på passive komponenter for energilagringssystemer og støtte en rekke bruksområder, som for eksempel omformere for elektriske kjøretøy, kretsbeskyttelse og fornybar energi.

Teknologier med bredt båndgap, som SiC, har potensial til å erstatte tradisjonelt silisium i visse bruksområder, men den økte koblingsfrekvensen byr på noen unike utfordringer som må løses ved hjelp av avanserte produksjonsmetoder og presise testverktøy. I dette blogginnlegget tar vi for oss de viktigste faktorene som må tas i betraktning ved valg av høyhastighets halvledere, samt noen av de beste fremgangsmåtene for å bruke dem effektivt i konstruksjoner.

4. Lav på-motstand

Silisium er mye brukt i elektronikk, men når det brukes til høyeffektsapplikasjoner, begynner det å vise sine begrensninger. Silisiumkarbid, til sammenligning, har et mye bredere båndgap og fungerer ved høyere temperaturer - noe som gir mer effekt og hastighet, samt reduserte krav til frekvensomformer og bedre kretsdesign.

Dette er spesielt relevant for høyfrekvente applikasjoner som soft-switching LLC eller TPPFC (overgangsfase effektfaktorkorreksjon). Minoritetsbærerenheter brukes ofte for å redusere IGBT-enhetenes innkoblingsmotstand ved disse frekvensene, men det betydelige koblingstapet og varmeutviklingen begrenser bruken av dem ved høyere frekvenser. Majority carrier-enheter (Schottky-barrieredioder og MOSFET-er) i SiC-halvledere muliggjør derimot høyere spenningsverdier med redusert påkoblingsmotstand.

SiC-halvledere har høy gjennomslagsstyrke, noe som gir tynnere driftlag og følgelig redusert på-motstand sammenlignet med tilsvarende metallhalvledere, noe som gir ideelle forhold for raske koblingshastigheter. Sammen med de kortere gatelengdene gjør dette SiC MOSFET-er egnet for raske koblingshastigheter.

Rent silisiumkarbid er fra naturens side en elektrisk isolator, men ved å tilsette urenheter (dopingstoffer) kan det omdannes til en elektronisk halvleder. Doping med nitrogen og fosfor resulterer i en halvleder av n-typen, mens doping med beryllium, bor, aluminium eller gallium kan skape en halvleder av p-typen.

SiC MOSFET-er har forårsaket et dramatisk skifte innen kraftelektronikk. SiC MOSFET-er kan skilte med høyere blokkeringsspenning, raskere koblingstider og lavere on-motstand enn sine motstykker i silisium, og de baner vei for fremtidige generasjoner av kraftelektroniske enheter.

5. Lavt strømforbruk

Silisiumbaserte kraftkomponenter som IGBT-er (Insulated Gate Bipolar Transistors) og silisium-superjunksjoner har lenge vært pålitelige kraftkilder, men når de utsettes for høyere temperaturer eller koblingsfrekvenser, begynner de å vise sine begrensninger. Halvledere med bredt båndgap, som MOSFET-er av silisiumkarbid, tilbyr banebrytende ytelsesløsninger som kan overvinne disse begrensningene.

Silisiumkarbid (SiC) har lenge vært brukt som slipemiddel på slipeskiver og i keramikk, men i det siste har SiC også fått stor utbredelse som erstatning for tradisjonelle silisiumbaserte strømenheter i høyeffektselektronikk. Dette bemerkelsesverdige skiftet skyldes SiCs eksepsjonelle fysiske og elektroniske egenskaper - en legering bestående av silisium og karbon.

Som det er vanlig med sammensatte halvledere, utviser SiC polytypisme med ulike krystallstrukturer som dannes avhengig av hvordan den kjemiske sammensetningen varierer i én dimensjon. 4H-SiC-polytypen er foretrukket til kraftapplikasjoner på grunn av den tettpakkede sekskantede atomstrukturen som muliggjør raske koblingstider og høy blokkeringsspenning.

Silisium- og SiC-enheter har ulik ytelse, hovedsakelig på grunn av båndgapsbredden, som er den energimengden som kreves for å gå fra en isolerende tilstand til en ledende tilstand. Et bredere båndgap gjør det mulig å overføre mer elektrisk energi raskere og mer effektivt - en fordel som er spesielt nyttig i høyeffektsapplikasjoner, som for eksempel traksjonsomformere i elektriske kjøretøy.

SiCs lavere termiske motstand enn tradisjonelle silisiumkomponenter er en annen viktig fordel, som muliggjør mindre induktive og kapasitive komponenter og dermed reduserer de totale systemtapene (inkludert ledningstap og effekttap ved kobling). I en halvbroomformer kan dette resultere i både høyere effektivitet og lavere systemkostnader.