Tranzystor z węglika krzemu

Węglik krzemu rewolucjonizuje elektronikę mocy. Powoli zastępuje tradycyjne tranzystory krzemowe, oferując jednocześnie znaczny wzrost wydajności.

Ze względu na fizyczne i elektroniczne właściwości materiału, inżynierowie mogą niechętnie podchodzić do tej technologii. Niestety, błędne przekonania mogą powstrzymywać ich przed jej pełnym przyjęciem.

Węglik krzemu występuje naturalnie jako klejnoty moissanitowe i jest wytwarzany syntetycznie. Obie formy można zmienić tak, aby zachowywały się jak półprzewodniki poprzez domieszkowanie pierwiastkami takimi jak aluminium, bor, gal i azot.

1. Wysokie napięcie przebicia

Węglik krzemu (SiC) jest materiałem elektronicznym występującym naturalnie w bardzo niewielkich ilościach w meteorytach, złożach korundu i skałach kimberlitowych, podczas gdy większość SiC w urządzeniach elektronicznych pochodzi ze źródeł syntetycznych. SiC stanowi ekonomiczną alternatywę dla tradycyjnych półprzewodników krzemowych, gdy mamy do czynienia z wysokimi wymaganiami dotyczącymi prądu/napięcia w wymagających aplikacjach, takich jak te.

Tranzystory SiC zdobyły sobie miejsce wśród ekspertów elektroniki mocy dzięki imponująco wysokiemu napięciu przebicia. Dzięki 10-krotnie większemu krytycznemu polu elektrycznemu niż w przypadku krzemu, SiC umożliwia działanie urządzeń ze znacznie zmniejszoną rezystancją warstwy dryftu na obszar, co daje imponująco wysokie napięcia wytrzymywane i wyjątkowo niskie wartości rezystancji włączenia.

Topologie twardego przełączania, takie jak korekcja współczynnika mocy bieguna totemowego i synchroniczne wzmocnienie, są możliwe w przypadku IGBT, podczas gdy ich wyższe rezystancje włączenia prowadzą do znacznego wytwarzania ciepła i strat przełączania w przypadku IGBT i tranzystorów bipolarnych, co prowadzi do znacznego wytwarzania ciepła i strat przełączania.

Szerokie pasmo przenoszenia SiC pozwala na stosowanie mniejszych warstw tlenku bramki, co prowadzi do niższych elementów pasożytniczych, a tym samym niższej rezystancji włączenia i zwiększonej wydajności - zaleta szczególnie korzystna w aplikacjach szybkiego przełączania, w których wysokie częstotliwości muszą być obsługiwane bez wytwarzania nadmiernego ciepła.

SiC jest dobrze znany ze swojej doskonałej wydajności przy dużych prędkościach, ale jego przewodność cieplna jest jeszcze lepsza, ponad trzykrotnie większa niż krzemu. Pozwala to urządzeniom wykonanym z SiC rozpraszać duże ilości nadmiaru mocy nawet w wyższych temperaturach bez uszkodzenia wewnętrznych struktur - coś, czego urządzenia krzemowe nie są w stanie skutecznie zrobić, co prowadzi do większej gęstości mocy i mniejszych strat.

2. Wysoka przewodność cieplna

Węglik krzemu, powszechnie nazywany w naturze moissanitem, to kompozycja krzemu i węgla występująca naturalnie jako niebiesko-czarny minerał o właściwościach półprzewodnikowych. Ponieważ urządzenia elektroniczne, takie jak tranzystory, generują ciepło podczas pracy, materiały zdolne do jego szybkiego rozpraszania są niezbędnymi komponentami.

Przewodność cieplna węglika krzemu odgrywa integralną rolę w rozpraszaniu wytwarzanego ciepła. Wyższa przewodność cieplna umożliwia szybsze schładzanie urządzeń półprzewodnikowych po ich wyłączeniu.

Doskonałą przewodność cieplną węglika krzemu można wytłumaczyć znacznie większą gęstością defektów sieci w porównaniu do innych półprzewodników, takich jak azotek galu. Dzięki temu więcej ciepła może wydostać się z powierzchni chipa, a następnie zostać łatwo schłodzone za pomocą metod chłodzenia wodą lub powietrzem.

Gęsta struktura węglika krzemu i zmniejszone naprężenie sieciowe sprawiają, że przewyższa on inne materiały półprzewodnikowe, takie jak krzem, pod względem wydajności - zmniejszając tworzenie się dyslokacji.

Naukowcy badający węglik krzemu przeanalizowali różne czynniki wpływające na jego przewodność cieplną, aby lepiej zrozumieć, dlaczego materiał ten ma tak wysoką przewodność cieplną, takie jak zawartość tlenu/azotu w sieci, porowatość, wielkość ziarna, przemiana fazowa i skład dodatków. Oceniając te elementy indywidualnie i odkrywając powiązania między nimi, które wyjaśniają, dlaczego określone aspekty wykazują wysoką przewodność cieplną - wiedzę, którą można następnie wykorzystać do dalszego jej ulepszania.

3. Wysoka prędkość przełączania

Węglik krzemu, częściej określany nazwą chemiczną SiC, to związek chemiczny składający się z krzemu i węgla, który może być produkowany masowo. Występujący naturalnie jako minerał moissanit i posiadający właściwości półprzewodnikowe, znalazł zastosowanie jako materiał ścierny, ceramiczny i surowiec w przemyśle metalurgicznym.

Tranzystory z węglika krzemu oferują większe możliwości blokowania napięcia i niższą rezystancję włączenia niż tradycyjne krzemowe tranzystory IGBT, umożliwiając wyższe prędkości przełączania niż ich krzemowe odpowiedniki, a tym samym oferując inżynierom więcej możliwości optymalizacji systemu w celu tworzenia mniejszych, lżejszych konstrukcji o lepszej wydajności konwersji mocy - w tym tych stosowanych jako falowniki trakcyjne w pojazdach elektrycznych.

Jednakże, podczas gdy półprzewodniki mocy o szerokim paśmie wzbronionym, takie jak SiC, mogą zapewnić wiele korzyści, urządzenia te mają wady. Jedną z kluczowych kwestii związanych z wykorzystaniem takich półprzewodników jest ich niezdolność do tolerowania wysokich temperatur - prowadzi to do takich problemów, jak zwiększony prąd upływu w aplikacjach w stanie wyłączenia i zmniejszona niezawodność.

Inżynierowie zaczęli wykorzystywać najnowocześniejsze technologie, które działają przy wyższych częstotliwościach przełączania, oferując korzyści, takie jak niższe straty przewodzenia, szybsze przełączanie i zwiększoną wydajność - co pozwala systemom zasilania działać wydajniej, zmniejszać rozmiary komponentów pasywnych w systemach magazynowania energii i wspierać szereg zastosowań końcowych, takich jak falowniki trakcyjne pojazdów elektrycznych (EV), ochrona obwodów i odnawialne źródła energii.

Technologie o szerokim paśmie przenoszenia, takie jak SiC, mogą potencjalnie zastąpić tradycyjny krzem w niektórych zastosowaniach, choć ich zwiększona częstotliwość przełączania wiąże się z pewnymi unikalnymi wyzwaniami, którym należy sprostać za pomocą zaawansowanych metod produkcji i precyzyjnych narzędzi testowych. W tym wpisie na blogu przyjrzymy się kluczowym kwestiom przy wyborze szybkich półprzewodników mocy, a także kilku najlepszym praktykom ich efektywnego wykorzystania w projektach.

4. Niska rezystancja włączenia

Krzem jest szeroko stosowany w elektronice, ale w zastosowaniach wymagających dużej mocy zaczyna wykazywać swoje ograniczenia. Dla porównania, węglik krzemu oferuje znacznie szersze pasmo przenoszenia i działa w wyższych temperaturach - zapewniając większą moc i szybkość, a także mniejsze wymagania dotyczące napędu i lepszą konstrukcję obwodu.

Jest to szczególnie istotne w przypadku zastosowań o wysokiej częstotliwości, takich jak soft-switching LLC lub TPPFC (korekcja współczynnika mocy w fazie przejściowej). Mniejszościowe urządzenia nośne są często stosowane w celu zmniejszenia rezystancji włączenia IGBT przy tych częstotliwościach; jednak ich znaczne straty przełączania i wytwarzanie ciepła ograniczają ich zastosowanie przy wyższych częstotliwościach. I odwrotnie, urządzenia z nośnikiem większościowym (diody z barierą Schottky'ego i tranzystory MOSFET) w półprzewodnikach SiC umożliwiają wyższe wartości znamionowe napięcia przy zmniejszonych rezystancjach włączenia.

Półprzewodniki SiC charakteryzują się wysoką wytrzymałością na przebicie, co pozwala na cieńsze warstwy dryftu, a w konsekwencji zmniejszoną rezystancję włączenia w porównaniu do ich metalowych odpowiedników, zapewniając idealne warunki dla szybkich prędkości przełączania. W połączeniu z krótszymi długościami bramek sprawia to, że tranzystory SiC MOSFET nadają się do szybkich prędkości przełączania.

Czysty węglik krzemu jest z natury izolatorem elektrycznym; jednak poprzez dodanie do niego zanieczyszczeń (domieszek) lub środków domieszkujących można go przekształcić w półprzewodnik elektroniczny. Domieszkowanie azotem i fosforem skutkuje powstaniem półprzewodnika typu n, podczas gdy domieszkowanie berylem, borem, aluminium lub galem może stworzyć półprzewodnik typu p.

Tranzystory SiC MOSFET spowodowały dramatyczną zmianę w elektronice mocy. Oferując wyższe napięcie blokowania, krótsze czasy przełączania i niższą rezystancję włączenia niż ich krzemowe odpowiedniki, tranzystory SiC MOSFET torują drogę przyszłym generacjom urządzeń energoelektronicznych.

5. Niski pobór mocy

Krzemowe komponenty mocy, takie jak tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) i superzłącza krzemowe, od dawna są niezawodnymi źródłami zasilania, ale gdy są narażone na wyższe temperatury lub częstotliwości przełączania, zaczynają wykazywać swoje ograniczenia. Półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym, takie jak tranzystory MOSFET z węglika krzemu, oferują przełomowe rozwiązania, które mogą przezwyciężyć te ograniczenia.

Węglik krzemu (SiC) jest od dawna stosowany jako materiał ścierny w ściernicach i ceramice, ale ostatnio SiC jest również szeroko stosowany w celu zastąpienia tradycyjnych urządzeń zasilających opartych na krzemie w zastosowaniach elektronicznych dużej mocy. Ta niezwykła zmiana jest spowodowana wyjątkowymi właściwościami fizycznymi i elektronicznymi SiC; stopu składającego się z krzemu i węgla.

Jak to często bywa w przypadku półprzewodników złożonych, SiC wykazuje polietypizm z różnymi strukturami krystalicznymi tworzonymi w zależności od tego, jak zmienia się jego skład chemiczny w jednym wymiarze. Poliptyp 4H-SiC jest powszechnie preferowany do zastosowań energetycznych ze względu na ściśle upakowaną heksagonalną strukturę atomową, która ułatwia szybkie czasy przełączania i wysokie napięcie blokujące.

Urządzenia krzemowe i SiC różnią się wydajnością głównie ze względu na szerokość pasma wzbronionego, czyli ilość energii niezbędną do przejścia ze stanu izolacji do stanu przewodzenia. Szersze pasmo przenoszenia pozwala na szybsze i wydajniejsze przesyłanie większej ilości energii elektrycznej, co jest szczególnie przydatne w zastosowaniach wymagających dużej mocy, takich jak falowniki trakcyjne pojazdów elektrycznych.

Niższa rezystancja termiczna SiC w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami krzemowymi jest kolejną kluczową zaletą, umożliwiającą zmniejszenie elementów indukcyjnych i pojemnościowych, a tym samym obniżenie całkowitych strat systemu (w tym strat przewodzenia i strat mocy przełączania). W falowniku półmostkowym może to skutkować większą wydajnością, a także niższymi kosztami systemu.