Półprzewodnik z węglika krzemu

Półprzewodnik z węglika krzemu jest niekonwencjonalnym półprzewodnikiem o szerokim paśmie przenoszenia z licznymi nieodłącznymi zaletami w porównaniu z jego krzemowymi odpowiednikami, w tym wyższymi temperaturami roboczymi, szybszymi częstotliwościami przełączania i zmniejszonymi stratami urządzenia. Komponenty mocy SiC oferują znacznie niższe koszty niż ich odpowiedniki na bazie krzemu, ze względu na redukcję kosztów podłoża, które stanowią ogromną część całkowitych kosztów komponentów.

Wysoka temperatura

Węglik krzemu (SiC) jest niezwykle twardym i ogniotrwałym materiałem półprzewodnikowym, który może rozwijać się w trudnych warunkach, w których większość elektroniki nie może pracować, w tym w wysokich temperaturach, ekstremalnych wibracjach, wrogich środowiskach chemicznych i narażeniu na promieniowanie. Czujniki i elektronika SiC, które są w stanie wytrzymać te ekstremalne warunki, mogą zrewolucjonizować wiele systemów - od przesyłu energii w samochodach elektrycznych i zakładach użyteczności publicznej po mocniejsze mikrofale w radarach i aplikacjach komunikacji komórkowej.

Jedną z metod produkcji SiC jest proces Lely. W tym przypadku proszek SiC jest sublimowany do wysokotemperaturowych gatunków krzemu, węgla i diwęglku krzemu, a następnie osadzany w postaci płatkowych monokryształów w temperaturze 2500 stopni Celsjusza przed osadzeniem na podłożach; skutkuje to wysokiej jakości monokryształami 6H-SiC o wielkości do 2 cm2.

Istnieje wiele niskociśnieniowych podtypów SiC, w tym 3C, 4H, 15R i 21R. Każdy z nich wykazywał silne mody fononowe o podobnej strukturze. Naukowcy badali zależność krawędzi absorpcji od ciśnienia; jedno z badań domieszkowanego azotem 6H-SiC ujawniło, że jego przerwa pasmowa ma niezmienną ujemną pochodną ciśnienia; odkrycie to potwierdziło obliczenia teoretyczne.

Wysokie napięcie

Urządzenia wysokonapięciowe, takie jak półprzewodniki, diody i tranzystory IGBT, są kluczowymi komponentami w zastosowaniach od sterowania silnikami, przez falowniki solarne i ładowarki akumulatorów, po sporty motorowe. Niestety, ich duża powierzchnia wymaga znacznego wydzielania ciepła, co prowadzi do znacznych strat przewodzenia. Wykorzystanie urządzeń z węglika krzemu (SiC) może zmniejszyć straty przełączania, jednocześnie zwiększając niezawodność dzięki wyższym napięciom blokowania i zmniejszonym stratom przewodzenia.

SiC odróżnia się od krzemu znacznie wyższą siłą przebicia pola elektrycznego, co pozwala mu osiągać wyższe temperatury pracy bez utraty wydajności. Sprawia to, że SiC jest doskonałym wyborem dla wysokonapięciowych urządzeń mocy, takich jak IGBT, diody SB i MOSFET; dodatkowo jego trzykrotnie szersza przerwa pasmowa sprawia, że jest bardziej odpowiedni do pracy w ekstremalnych warunkach niż krzem.

Wiele firm opracowało tranzystory MOSFET z węglika krzemu o szerokim paśmie zabronionym (WBG), zaprojektowane specjalnie dla falowników samochodowych i przemysłowych, charakteryzujące się punktami przerwania 650 V i jednymi z najniższych rezystancji w stanie włączenia na obszar dostępny dla dowolnego urządzenia w swojej klasie. Tranzystor SiC MOSFET NTH4L015N065SC1 firmy ON Semiconductor ma wewnętrzny rezystor bramki, który eliminuje zewnętrzne rezystancje w obwodach napędowych, zapewniając krótsze czasy przełączania.

Wysoka częstotliwość

Półprzewodniki z węglika krzemu o wysokiej częstotliwości miały znaczny udział w rynku w 2021 r. i przewiduje się, że będą nadal rosły w okresie prognozy, ze względu na szeroką przerwę w paśmie, która pomaga zmniejszyć straty mocy i niezawodność w zastosowaniach związanych z szybkim przełączaniem. Węglik krzemu ma również wiele zastosowań w tranzycie kolejowym i środowiskach pojazdów elektrycznych, gdzie jego urządzenia pomagają zmniejszyć rozmiar i wagę sprzętu w celu obniżenia kosztów operacyjnych i poprawy wydajności - takich jak poprawa niezawodności japońskich pociągów linii Shinkansen poprzez ich wykorzystanie jako konwerterów trakcyjnych.

Urządzenia półprzewodnikowe z węglika krzemu odnotowały ogromny wzrost w ciągu ostatnich kilku lat ze względu na wzrost wysiłków na rzecz zrównoważonego rozwoju i elektryfikacji, oferując lepszą wydajność niż krzem i arsenek krzemu w zastosowaniach wysokiego napięcia / częstotliwości. Azotek galu (GaN) również odgrywa integralną część urządzeń półprzewodnikowych trzeciej generacji i oferuje więcej opcji w zastosowaniach wysokonapięciowych/częstotliwościowych niż krzem.

Węglik krzemu (SiC) to stop składający się z krzemu i węgla. Ten związek chemiczny charakteryzuje się silnymi wiązaniami kowalencyjnymi podobnymi do diamentów. SiC jest wytwarzany przez połączenie krzemionki z węglem w piecu elektrycznym w wysokich temperaturach; jego przerwę pasmową zmierzono na 3,26eV. Dodatkowo, SiC może pracować w wyższych temperaturach, napięciach i częstotliwościach niż krzem.

Wysoka moc

Półprzewodniki mocy z węglika krzemu oferują wysoką moc, jednocześnie pomagając zmniejszyć wagę, rozmiar i koszt urządzeń elektronicznych. Ich tolerancja na temperaturę i napięcie sprawia, że nadają się do słupów ładowania, centrów danych i innych wymagających zastosowań - szczególnie tych związanych z pojazdami elektrycznymi (EV). Co więcej, ich szybsze możliwości przełączania i zmniejszona rezystancja włączenia sprawiają, że są one lepszym wyborem niż urządzenia krzemowe - co jest szczególnie ważne w przypadku przyszłych zastosowań w transporcie kolejowym, w których nośność będzie kluczowym czynnikiem wzrostu.

Węglik krzemu, zwany również moissanitem, został po raz pierwszy odkryty w meteorytach ponad 4,6 miliarda lat temu. Obecnie jest wydobywany z Ziemi w niewielkich ilościach do wykorzystania jako kamienie szlachetne, ale większość jest produkowana sztucznie; najczęściej z domieszkami azotu lub fosforu do biżuterii z kamieni szlachetnych oraz domieszkami berylu, boru lub aluminium do produkcji klejnotów. Węglik krzemu może być również domieszkowany typu n domieszkami azotu i fosforu, podczas gdy jego twarda, bezbarwna powierzchnia pozwala na domieszkowanie domieszkami, które pozwalają na domieszkowanie zarówno typu n, jak i typu p, w zależności od tego, czy domieszkowanie występuje naturalnie, czy sztucznie - podobnie jak wyglądałyby diamentowe klejnoty. Węglik krzemu może być również wytwarzany sztucznie jako klejnoty moissanitowe z meteorytów sprzed ponad 4,6 miliarda lat! Można go następnie wykorzystać do produkcji biżuterii. Od tego czasu większość węglika krzemu może być również wytwarzana sztucznie! Bezbarwna, twarda substancja, którą można domieszkować azotem lub fosforem, a także domieszkować typu p berylem, borem lub aluminium, w zależności od pożądanego zastosowania! Węglik krzemu został po raz pierwszy odkryty w meteorytach z Ziemi już 4,6 miliarda lat temu! 4,6 miliarda lat temu! 4,6 miliarda lat temu! 4,6 miliarda lat temu...

SiC to innowacyjny związek składający się z krzemu (liczba atomowa 14) i węgla (liczba atomowa 6), połączonych silnymi wiązaniami kowalencyjnymi w celu utworzenia związku chemicznego o strukturze heksagonalnej i niezwykle szerokim paśmie wzbronionym - trzykrotnie szerszym niż w przypadku tradycyjnego krzemu! Charakteryzuje się również unikalnymi właściwościami elektrycznymi, które mogą sprawić, że będzie pożądany w niektórych zastosowaniach.

Niska temperatura

Węglik krzemu jest materiałem przemysłowym zdolnym do wytrzymywania wysokich temperatur i napięć, co czyni go idealnym wyborem dla półprzewodników mocy. Ze względu na jego trwałość i długotrwałe działanie, stosowanie cieńszych wafli prowadzi do zwiększenia wydajności, a jego niezawodność umożliwia długotrwałą pracę i dłuższą żywotność. Co więcej, węglik krzemu charakteryzuje się niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, a także jest chemicznie obojętny.

Twardy i odporny na korozję węglik krzemu stanowi doskonały materiał ścierny i jest szeroko stosowany do cięcia materiałów ogniotrwałych, takich jak schłodzone żelazo, marmur i granit; szlifowania stali elektrycznej; drukowania karborundu (przy użyciu suchego granulowanego węglika krzemu do drukowania obrazów); techniki drukowania karborundu i produkcja papieru karborundowego są również powszechnie praktykowane przy użyciu arkuszy ściernych z węglika krzemu jako narzędzi; a także są wykorzystywane do produkcji wyrobów z papieru ściernego.

Naturalny moissanit można znaleźć tylko w bardzo małych ilościach w meteorytach, złożach korundu i kimberlitach. Większość dostępnych na rynku moissanitów jest produkowana syntetycznie poprzez rozpuszczanie węgla w stopionym krzemie, tworząc węglik krzemu alfa, który łączy się z tlenkiem glinu, tworząc karborund lub b-SiC, znany jako karborund. Ten stabilny związek ma strukturę sześcienną diamentu z tetraedrami SiC wypełnionymi w połowie, co zapewnia dobre przewodnictwo dzięki podobnemu promieniowi atomowemu jak inne kryształy diamentu, a także właściwości wysokiej temperatury topnienia.

Niskie napięcie

Półprzewodniki z węglika krzemu zyskały powszechną akceptację w branży energoelektroniki dzięki swojej wydajności, trwałości i charakterystyce chłodzenia. Są szeroko stosowane w konwerterach mocy, ładowarkach pojazdów elektrycznych, falownikach solarnych, napędach silnikowych i sterownikach silników, a także w środowiskach o wyższej temperaturze/napięciu niż konwencjonalne urządzenia krzemowe - w szczególności dzięki niższym rezystancjom włączenia i stratom przełączania odpowiednim do zastosowań o dużej prędkości.

Oczekuje się, że półprzewodniki mocy staną się kluczową technologią w zastosowaniach motoryzacyjnych ze względu na ich liczne zalety w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami. Charakteryzują się one szerszym pasmem wzbronionym, co umożliwia pracę w szerszym zakresie temperatur i napięć, a także zmniejszonym zużyciem energii i wagą.

SiC może zastąpić tranzystory IGBT i tranzystory bipolarne, które mają wysokie napięcia przebicia i wysokie straty przełączania, szybszymi urządzeniami przełączającymi, które mają zmniejszoną rezystancję włączenia, co skutkuje mniejszymi stratami mocy i wytwarzaniem ciepła. Szerokie pasmo przenoszenia SiC umożliwia tym urządzeniom szybsze przełączanie, oferując jednocześnie mniejszą rezystancję włączenia, co zmniejsza wytwarzanie ciepła i straty mocy.

Węglik krzemu to amorficzny materiał naturalny występujący w niezwykle rzadkich formach, takich jak klejnoty moissanitowe. Wytwarzany w reakcji krzemionki z węglem w piecu elektrycznym w wysokich temperaturach, węglik krzemu może być również stosowany w druku karborundowym przy użyciu aluminiowej płyty pokrytej grysem karborundowym do technik drukarskich, takich jak druk karborundowy.

Niskie koszty

Urządzenia półprzewodnikowe z węglika krzemu cieszą się rosnącym zainteresowaniem w całym sektorze technologicznym ze względu na ich kompaktowy charakter i doskonałą wydajność elektryczną, niezawodność, wyższą odporność na napięcie i tolerancję temperaturową niż starsze urządzenia, łatwość obsługi i możliwości instalacji oraz niewielkie rozmiary, co prowadzi do gwałtownego wzrostu popytu na nie.

Węglik krzemu (SiC) to niezniszczalny związek chemiczny o strukturze heksagonalnej, składający się z krzemu i węgla połączonych silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, tworząc silne tetraedryczne wiązania kowalencyjne. SiC ma wyjątkowo szeroką przerwę pasmową, umożliwiającą elektronom swobodne poruszanie się po hybrydowych orbitaliach sp3, co czyni go wszechstronnym materiałem o wielu zastosowaniach i zaletach.

Półprzewodniki z węglika krzemu doświadczyły gwałtownego wzrostu ze względu na rosnące zapotrzebowanie ze strony pojazdów elektrycznych i infrastruktury 5G, w szczególności ze względu na wysokie krytyczne napięcie przebicia, niższą rezystancję włączenia i zwiększoną gęstość mocy - kluczowe czynniki stojące za ich fenomenalnym wzrostem.

Półprzewodniki z węglika krzemu charakteryzują się doskonałą przewodnością cieplną i odpornością na wysokie temperatury, co czyni je idealnym materiałem do produkcji urządzeń półprzewodnikowych mocy. Takie urządzenia można znaleźć w wysokoenergetycznych laserach, ogniwach słonecznych i fotodetektorach, a także jako termistory/warystory w piecach wysokotemperaturowych.