Tranzystor z węglika krzemu

Urządzenia mocy z węglika krzemu odgrywają kluczową rolę w poprawie efektywności energetycznej pojazdów elektrycznych dzięki swoim doskonałym właściwościom materiałowym.

Węglik krzemu w czystej postaci zachowuje się jak izolator; jednak po domieszkowaniu zanieczyszczeniami (domieszkami) może przekształcić się w półprzewodnik elektroniczny. Substancjami domieszkowymi stosowanymi w tym celu są azot lub fosfor w przypadku typu n, natomiast domieszki glinu, boru lub galu mogą przekształcić go w materiał półprzewodnikowy typu p.

Przebicie wysokiego napięcia

Urządzenia półprzewodnikowe z węglika krzemu są coraz częściej uznawane za odpowiedni zamiennik urządzeń krzemowych w zastosowaniach elektroniki mocy, w których występują wysokie temperatury lub napięcia, zwłaszcza tam, gdzie występują wysokie napięcia lub temperatury. Wynika to z wyjątkowo wysokiej wytrzymałości na przebicie pola elektrycznego, co oznacza, że mogą one przenosić znacznie większe natężenia prądu niż ich krzemowe odpowiedniki, wytrzymując jednocześnie nawet 10-krotnie wyższe napięcie niż tranzystory MOSFET – co czyni je idealnymi do obwodów wysokonapięciowych stosowanych w pojazdach elektrycznych i satelitach.

Nanorurki węglowe (CNT) wyróżniają się większą szerokością pasma zabronionego, która jest około trzykrotnie większa niż w przypadku krzemu (1,1 eV), co pozwala elektronom łatwiej przedostawać się do pasma przewodzenia w celu przewodzenia prądu elektrycznego oraz zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia prądów upływowych w złączach – są to kluczowe cechy urządzeń zaprojektowanych z myślą o niezawodnej pracy w wyższych temperaturach.

Węglik krzemu charakteryzuje się wyższym napięciem przebicia dzięki cieńszej warstwie zubożenia. Pozwala to na przepływ większej liczby nośników swobodnych, co zwiększa gęstość prądu i umożliwia stosowanie mniejszych tranzystorów, które zużywają mniej energii; w ten sposób wzrasta sprawność i zmniejsza się wytwarzanie ciepła.

Jedną z głównych wad zastosowania technologii węglika krzemu był jej stosunkowo wysoki koszt. Naukowcy opracowali jednak niedrogą technikę produkcji przełączników mocy z węglika krzemu, dzięki czemu materiał ten nadaje się do zastosowań wysokonapięciowych.

Osiągnęli to dzięki zastosowaniu nowatorskiej techniki łączącej elementy jednobiegunowe i dwubiegunowe w jednej strukturze – znanej jako połączone diody typu pin-Schottky’ego lub diody MPS – co pozwoliło im porównać właściwości złączy epitaksjalnych i implantowanych; diody epitaksjalne okazały się bardziej stabilne dzięki wyższej rezystancji prądu wstecznego w wysokich temperaturach (RDS(ON)).

Węglik krzemu może wkrótce znaleźć szersze zastosowanie w elektronice mocy, przynosząc korzyści zarówno gospodarce, jak i środowisku. Chociaż SiC jest już stosowany w niektórych zastosowaniach, takich jak diody LED i detektory we wczesnych modelach radioodbiorników, jego ogromny potencjał oznacza, że wkrótce będzie można go spotkać wszędzie – od pojazdów elektrycznych po instrumenty na łazikach badających Wenus czy sondy zaprojektowane tak, by wytrzymać panujące tam ekstremalne temperatury.

Wysoka gęstość prądu

Węglik krzemu jest materiałem niezwykle twardym i gęstym, posiadającym szereg cech, które przyczyniają się do jego sukcesu jako elementu w urządzeniach półprzewodnikowych. Jedną z takich cech jest wysoka wytrzymałość na przebicie pola elektrycznego, która pozwala urządzeniom wykonanym z tego materiału wytrzymywać znacznie wyższe gęstości prądu niż byłoby to możliwe w przypadku urządzeń krzemowych, umożliwiając zastosowania o dużej mocy oraz krótsze czasy przełączania przy większych obciążeniach. Ponadto jego niższa rezystancja w stanie przewodzenia przekłada się na mniejsze straty, co jest szczególnie korzystne przy projektowaniu przetworników mocy lub podobnych układów.

Tranzystory z węglika krzemu charakteryzują się wysokimi napięciami przebicia, co pozwala im działać w wyższych temperaturach niż inne półprzewodniki, dzięki czemu doskonale sprawdzają się w zastosowaniach wysokotemperaturowych, takich jak zasilacze do pojazdów elektrycznych czy sprzęt wykorzystywany w misjach kosmicznych. Pomagając ograniczyć wydzielanie ciepła w tych urządzeniach, mogą one poprawić ich sprawność, jednocześnie zwiększając niezawodność.

Węglik krzemu od dawna uznawany jest za materiał półprzewodnikowy, który po domieszkowaniu określonymi zanieczyszczeniami może przewodzić prąd elektryczny, jednak urządzenia o jakości komercyjnej wykonane z tego materiału pojawiły się na rynku dopiero niedawno, ponieważ jego krystaliczność przejawia się w postaci ponad 150 politypów, co sprawia, że hodowla odpowiednia do produkcji urządzeń elektronicznych jest trudniejsza, niż wcześniej przewidywano.

W celu stworzenia tych nowych półprzewodników mocy zastosowano unikalną technikę przetwarzania. Osiągnięto to poprzez wykorzystanie wiązek jonów węgla, a następnie utlenianie termiczne lub połączenie obu tych procesów w celu zmniejszenia gęstości defektów w postaci pustych miejsc węgla.

Urządzenia SiC charakteryzują się zazwyczaj strukturą tranzystora unipolarnego z metalową anodą lub diodą p+n umieszczoną na górnej warstwie oraz warstwą typu n (obszar blokujący napięcie) połączoną z podłożem o niskiej rezystancji, co pozwala na przepływ prądu w warunkach dodatniego polaryzowania, blokując jednocześnie cały prąd w warunkach ujemnego polaryzowania. Taki układ umożliwia przepływ prądu przy polaryzacji dodatniej, ale całkowicie go blokuje w warunkach polaryzacji ujemnej.

Niska rezystancja przewodzenia

Węglik krzemu (SiC) jest powszechnie znany jako materiał ścierny oraz składnik ceramiki stosowanej w kamizelkach kuloodpornych, jednak jego właściwości półprzewodnikowe sprawiają, że może on potencjalnie zastąpić urządzenia krzemowe w zastosowaniach z zakresu elektroniki mocy. Urządzenia SiC charakteryzują się wysokim napięciem blokującym, krótkimi czasami przełączania oraz niską rezystancją w stanie przewodzenia, co pomaga ograniczyć straty w zastosowaniach takich jak falowniki trakcyjne pojazdów elektrycznych oraz ładowarki pokładowe.

Właściwości elektryczne węglika krzemu od dawna uznawane są za lepsze od właściwości tradycyjnych półprzewodników krzemowych. W szczególności ten materiał o szerokiej przerwie energetycznej charakteryzuje się niezwykle wysoką temperaturą topnienia, niską stałą dielektryczną i niezwykle wysoką wytrzymałością na przebicie, a także wysoką prędkością dryfu elektronów w stanie nasycenia oraz wysoką przewodnością cieplną – wszystko to sprawia, że jest on doskonałym kandydatem do wykorzystania w produkcji elektronicznych urządzeń półprzewodnikowych.

Jednak jeszcze do niedawna urządzenia o jakości komercyjnej, wykonane z węglika krzemu, pozostawały trudnym do osiągnięcia celem ze względu na ogromną różnorodność politypów tego materiału; wytworzenie dużych monokryształów i cienkich warstw niezbędnych do produkcji tranzystorów MOSFET okazało się niezwykle trudnym zadaniem.

Firma Cree oraz inne przedsiębiorstwa osiągnęły przełom w technologii węglika krzemu dzięki wprowadzeniu technologii Gate-Injection. Proces ten umożliwia sterowanie urządzeniami przy użyciu mniejszego prądu bramkowego, co zmniejsza zależność ich rezystancji w stanie przewodzenia od temperatury, poprawiając jednocześnie ich wydajność.

W związku z tym tranzystory MOSFET można bezpiecznie zasilać napięciami roboczymi o wyższych wartościach bez ryzyka wzrostu rezystancji w stanie przewodzenia lub wystąpienia efektów pasożytniczych, takich jak upływ przez tlenek bramki – co zapewnia znaczną przewagę nad konwencjonalnymi tranzystorami IGBT i tranzystorami bipolarnymi, które wymagają obniżenia parametrów znamionowych w przypadku zasilania napięciem przekraczającym ich wartości znamionowe.

W listopadzie 2021 roku firma UnitedSiC dołączyła do grupy spółek Qorvo, wprowadzając na rynek tranzystory polowe z węglika krzemu o niskiej rezystancji przewodzenia i parametrach znamionowych 750 V/6 mΩ, które zapewniają wzrost wydajności niezbędny w zastosowaniach dużej mocy, takich jak falowniki trakcyjne pojazdów elektrycznych (EV), przemysłowe systemy konwersji mocy oraz systemy energii odnawialnej. Tranzystory FET te pozwalają projektantom zmniejszyć rozmiar, masę i złożoność systemu, jednocześnie poprawiając gęstość mocy i niezawodność – kluczowe cechy o decydującym znaczeniu dla projektu.

Szerokie pasmo przenoszenia

Krzem jest jednym z najczęściej stosowanych półprzewodników w urządzeniach elektronicznych. Jednak w miarę jak jego ograniczenia w zastosowaniach wysokoprądowych zbliżają się do granic możliwości, rozwiązaniem stają się dwa rodzaje urządzeń z półprzewodników złożonych: tranzystory mocy z azotku galu (GaN) i węglika krzemu (SiC) – każdy z nich ma unikalne zalety, dzięki którym stanowią doskonałą alternatywę dla standardowych tranzystorów IGBT i tranzystorów MOSFET krzemowych w obwodach przetwarzania mocy.

Półprzewodniki złożone charakteryzują się szeroką przerwą energetyczną, co pozwala im pracować w znacznie wyższych temperaturach niż ich odpowiedniki oparte na krzemie. Termin “szeroka” odnosi się do przerwy energetycznej między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia, która jest około trzy razy szersza niż przerwa w krzemie wynosząca 1,12 eV, co pozwala urządzeniom o tej szerszej przerwie na obsługę wyższych napięć i prądów bez problemów związanych z zakłóceniami spowodowanymi aktywacją termiczną.

GaN i SiC mogą pracować przy wyższych częstotliwościach przełączania, co z kolei pozwala na zmniejszenie strat mocy i zwiększenie sprawności obwodów elektronicznych. GaN i SiC charakteryzują się również dziesięciokrotnie wyższą odpornością na napięcie niż krzem, dzięki czemu doskonale nadają się do zastosowań takich jak szybkie przełączniki unipolarne.

Zaletą tych półprzewodników są większe przerwy energetyczne, które umożliwiają produkcję cieńszych płytek niż w przypadku tradycyjnych urządzeń krzemowych, co przekłada się na niższy opór w stanie przewodzenia oraz wzrost krytycznego pola przebicia tych urządzeń. Ponadto to większe pole krytyczne pozwala urządzeniom o tej samej wartości znamionowej napięcia, co mniejsze urządzenia, osiągać daną wartość znamionową napięcia w sposób bardziej opłacalny oraz zmniejszać ogólne rozmiary przetworników mocy.

Wraz ze wzrostem popytu na pojazdy elektryczne rośnie również zapotrzebowanie na niezawodne układy elektroniki mocy, które mogą przetwarzać i przekształcać energię elektryczną w energię użytkową. Chociaż półprzewodniki krzemowe mają swoje ograniczenia w zastosowaniu jako elementy obwodów przetwarzania mocy, najnowsze osiągnięcia techniczne poszerzyły zakres możliwości wynikających z wykorzystania półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej.

Dzięki tym nowym technologiom systemy przetwarzania mocy stają się znacznie mniejsze i wydajniejsze niż kiedykolwiek wcześniej. Firma Cree zaprezentowała niedawno pierwszy w branży moduł mocy z sześcioma tranzystorami MOSFET z SiC, umieszczony w standardowej obudowie o średnicy 45 mm, który zmniejsza straty mocy aż o 75%, jednocześnie zwiększając gęstość mocy o 50% i obniżając całkowity koszt systemu o 70%.