Urz\u0105dzenia mocy z w\u0119glika krzemu odgrywaj\u0105 kluczow\u0105 rol\u0119 w poprawie efektywno\u015bci energetycznej pojazd\u00f3w elektrycznych dzi\u0119ki swoim doskona\u0142ym w\u0142a\u015bciwo\u015bciom materia\u0142owym.<\/p>\n
W\u0119glik krzemu w czystej postaci zachowuje si\u0119 jak izolator; jednak po domieszkowaniu zanieczyszczeniami (domieszkami) mo\u017ce przekszta\u0142ci\u0107 si\u0119 w p\u00f3\u0142przewodnik elektroniczny. Substancjami domieszkowymi stosowanymi w tym celu s\u0105 azot lub fosfor w przypadku typu n, natomiast domieszki glinu, boru lub galu mog\u0105 przekszta\u0142ci\u0107 go w materia\u0142 p\u00f3\u0142przewodnikowy typu p.<\/p>\n
Urz\u0105dzenia p\u00f3\u0142przewodnikowe z w\u0119glika krzemu s\u0105 coraz cz\u0119\u015bciej uznawane za odpowiedni zamiennik urz\u0105dze\u0144 krzemowych w zastosowaniach elektroniki mocy, w kt\u00f3rych wyst\u0119puj\u0105 wysokie temperatury lub napi\u0119cia, zw\u0142aszcza tam, gdzie wyst\u0119puj\u0105 wysokie napi\u0119cia lub temperatury. Wynika to z wyj\u0105tkowo wysokiej wytrzyma\u0142o\u015bci na przebicie pola elektrycznego, co oznacza, \u017ce mog\u0105 one przenosi\u0107 znacznie wi\u0119ksze nat\u0119\u017cenia pr\u0105du ni\u017c ich krzemowe odpowiedniki, wytrzymuj\u0105c jednocze\u015bnie nawet 10-krotnie wy\u017csze napi\u0119cie ni\u017c tranzystory MOSFET \u2013 co czyni je idealnymi do obwod\u00f3w wysokonapi\u0119ciowych stosowanych w pojazdach elektrycznych i satelitach.<\/p>\n
Nanorurki w\u0119glowe (CNT) wyr\u00f3\u017cniaj\u0105 si\u0119 wi\u0119ksz\u0105 szeroko\u015bci\u0105 pasma zabronionego, kt\u00f3ra jest oko\u0142o trzykrotnie wi\u0119ksza ni\u017c w przypadku krzemu (1,1 eV), co pozwala elektronom \u0142atwiej przedostawa\u0107 si\u0119 do pasma przewodzenia w celu przewodzenia pr\u0105du elektrycznego oraz zmniejsza prawdopodobie\u0144stwo wyst\u0105pienia pr\u0105d\u00f3w up\u0142ywowych w z\u0142\u0105czach \u2013 s\u0105 to kluczowe cechy urz\u0105dze\u0144 zaprojektowanych z my\u015bl\u0105 o niezawodnej pracy w wy\u017cszych temperaturach.<\/p>\n
W\u0119glik krzemu charakteryzuje si\u0119 wy\u017cszym napi\u0119ciem przebicia dzi\u0119ki cie\u0144szej warstwie zubo\u017cenia. Pozwala to na przep\u0142yw wi\u0119kszej liczby no\u015bnik\u00f3w swobodnych, co zwi\u0119ksza g\u0119sto\u015b\u0107 pr\u0105du i umo\u017cliwia stosowanie mniejszych tranzystor\u00f3w, kt\u00f3re zu\u017cywaj\u0105 mniej energii; w ten spos\u00f3b wzrasta sprawno\u015b\u0107 i zmniejsza si\u0119 wytwarzanie ciep\u0142a.<\/p>\n
Jedn\u0105 z g\u0142\u00f3wnych wad zastosowania technologii w\u0119glika krzemu by\u0142 jej stosunkowo wysoki koszt. Naukowcy opracowali jednak niedrog\u0105 technik\u0119 produkcji prze\u0142\u0105cznik\u00f3w mocy z w\u0119glika krzemu, dzi\u0119ki czemu materia\u0142 ten nadaje si\u0119 do zastosowa\u0144 wysokonapi\u0119ciowych.<\/p>\n
Osi\u0105gn\u0119li to dzi\u0119ki zastosowaniu nowatorskiej techniki \u0142\u0105cz\u0105cej elementy jednobiegunowe i dwubiegunowe w jednej strukturze \u2013 znanej jako po\u0142\u0105czone diody typu pin-Schottky\u2019ego lub diody MPS \u2013 co pozwoli\u0142o im por\u00f3wna\u0107 w\u0142a\u015bciwo\u015bci z\u0142\u0105czy epitaksjalnych i implantowanych; diody epitaksjalne okaza\u0142y si\u0119 bardziej stabilne dzi\u0119ki wy\u017cszej rezystancji pr\u0105du wstecznego w wysokich temperaturach (RDS(ON)).<\/p>\n
W\u0119glik krzemu mo\u017ce wkr\u00f3tce znale\u017a\u0107 szersze zastosowanie w elektronice mocy, przynosz\u0105c korzy\u015bci zar\u00f3wno gospodarce, jak i \u015brodowisku. Chocia\u017c SiC jest ju\u017c stosowany w niekt\u00f3rych zastosowaniach, takich jak diody LED i detektory we wczesnych modelach radioodbiornik\u00f3w, jego ogromny potencja\u0142 oznacza, \u017ce wkr\u00f3tce b\u0119dzie mo\u017cna go spotka\u0107 wsz\u0119dzie \u2013 od pojazd\u00f3w elektrycznych po instrumenty na \u0142azikach badaj\u0105cych Wenus czy sondy zaprojektowane tak, by wytrzyma\u0107 panuj\u0105ce tam ekstremalne temperatury.<\/p>\n
W\u0119glik krzemu jest materia\u0142em niezwykle twardym i g\u0119stym, posiadaj\u0105cym szereg cech, kt\u00f3re przyczyniaj\u0105 si\u0119 do jego sukcesu jako elementu w urz\u0105dzeniach p\u00f3\u0142przewodnikowych. Jedn\u0105 z takich cech jest wysoka wytrzyma\u0142o\u015b\u0107 na przebicie pola elektrycznego, kt\u00f3ra pozwala urz\u0105dzeniom wykonanym z tego materia\u0142u wytrzymywa\u0107 znacznie wy\u017csze g\u0119sto\u015bci pr\u0105du ni\u017c by\u0142oby to mo\u017cliwe w przypadku urz\u0105dze\u0144 krzemowych, umo\u017cliwiaj\u0105c zastosowania o du\u017cej mocy oraz kr\u00f3tsze czasy prze\u0142\u0105czania przy wi\u0119kszych obci\u0105\u017ceniach. Ponadto jego ni\u017csza rezystancja w stanie przewodzenia przek\u0142ada si\u0119 na mniejsze straty, co jest szczeg\u00f3lnie korzystne przy projektowaniu przetwornik\u00f3w mocy lub podobnych uk\u0142ad\u00f3w.<\/p>\n
Tranzystory z w\u0119glika krzemu charakteryzuj\u0105 si\u0119 wysokimi napi\u0119ciami przebicia, co pozwala im dzia\u0142a\u0107 w wy\u017cszych temperaturach ni\u017c inne p\u00f3\u0142przewodniki, dzi\u0119ki czemu doskonale sprawdzaj\u0105 si\u0119 w zastosowaniach wysokotemperaturowych, takich jak zasilacze do pojazd\u00f3w elektrycznych czy sprz\u0119t wykorzystywany w misjach kosmicznych. Pomagaj\u0105c ograniczy\u0107 wydzielanie ciep\u0142a w tych urz\u0105dzeniach, mog\u0105 one poprawi\u0107 ich sprawno\u015b\u0107, jednocze\u015bnie zwi\u0119kszaj\u0105c niezawodno\u015b\u0107.<\/p>\n
W\u0119glik krzemu od dawna uznawany jest za materia\u0142 p\u00f3\u0142przewodnikowy, kt\u00f3ry po domieszkowaniu okre\u015blonymi zanieczyszczeniami mo\u017ce przewodzi\u0107 pr\u0105d elektryczny, jednak urz\u0105dzenia o jako\u015bci komercyjnej wykonane z tego materia\u0142u pojawi\u0142y si\u0119 na rynku dopiero niedawno, poniewa\u017c jego krystaliczno\u015b\u0107 przejawia si\u0119 w postaci ponad 150 polityp\u00f3w, co sprawia, \u017ce hodowla odpowiednia do produkcji urz\u0105dze\u0144 elektronicznych jest trudniejsza, ni\u017c wcze\u015bniej przewidywano.<\/p>\n
W celu stworzenia tych nowych p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w mocy zastosowano unikaln\u0105 technik\u0119 przetwarzania. Osi\u0105gni\u0119to to poprzez wykorzystanie wi\u0105zek jon\u00f3w w\u0119gla, a nast\u0119pnie utlenianie termiczne lub po\u0142\u0105czenie obu tych proces\u00f3w w celu zmniejszenia g\u0119sto\u015bci defekt\u00f3w w postaci pustych miejsc w\u0119gla.<\/p>\n
Urz\u0105dzenia SiC charakteryzuj\u0105 si\u0119 zazwyczaj struktur\u0105 tranzystora unipolarnego z metalow\u0105 anod\u0105 lub diod\u0105 p+n umieszczon\u0105 na g\u00f3rnej warstwie oraz warstw\u0105 typu n (obszar blokuj\u0105cy napi\u0119cie) po\u0142\u0105czon\u0105 z pod\u0142o\u017cem o niskiej rezystancji, co pozwala na przep\u0142yw pr\u0105du w warunkach dodatniego polaryzowania, blokuj\u0105c jednocze\u015bnie ca\u0142y pr\u0105d w warunkach ujemnego polaryzowania. Taki uk\u0142ad umo\u017cliwia przep\u0142yw pr\u0105du przy polaryzacji dodatniej, ale ca\u0142kowicie go blokuje w warunkach polaryzacji ujemnej.<\/p>\n
W\u0119glik krzemu (SiC) jest powszechnie znany jako materia\u0142 \u015bcierny oraz sk\u0142adnik ceramiki stosowanej w kamizelkach kuloodpornych, jednak jego w\u0142a\u015bciwo\u015bci p\u00f3\u0142przewodnikowe sprawiaj\u0105, \u017ce mo\u017ce on potencjalnie zast\u0105pi\u0107 urz\u0105dzenia krzemowe w zastosowaniach z zakresu elektroniki mocy. Urz\u0105dzenia SiC charakteryzuj\u0105 si\u0119 wysokim napi\u0119ciem blokuj\u0105cym, kr\u00f3tkimi czasami prze\u0142\u0105czania oraz nisk\u0105 rezystancj\u0105 w stanie przewodzenia, co pomaga ograniczy\u0107 straty w zastosowaniach takich jak falowniki trakcyjne pojazd\u00f3w elektrycznych oraz \u0142adowarki pok\u0142adowe.<\/p>\n
W\u0142a\u015bciwo\u015bci elektryczne w\u0119glika krzemu od dawna uznawane s\u0105 za lepsze od w\u0142a\u015bciwo\u015bci tradycyjnych p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w krzemowych. W szczeg\u00f3lno\u015bci ten materia\u0142 o szerokiej przerwie energetycznej charakteryzuje si\u0119 niezwykle wysok\u0105 temperatur\u0105 topnienia, nisk\u0105 sta\u0142\u0105 dielektryczn\u0105 i niezwykle wysok\u0105 wytrzyma\u0142o\u015bci\u0105 na przebicie, a tak\u017ce wysok\u0105 pr\u0119dko\u015bci\u0105 dryfu elektron\u00f3w w stanie nasycenia oraz wysok\u0105 przewodno\u015bci\u0105 ciepln\u0105 \u2013 wszystko to sprawia, \u017ce jest on doskona\u0142ym kandydatem do wykorzystania w produkcji elektronicznych urz\u0105dze\u0144 p\u00f3\u0142przewodnikowych.<\/p>\n
Jednak jeszcze do niedawna urz\u0105dzenia o jako\u015bci komercyjnej, wykonane z w\u0119glika krzemu, pozostawa\u0142y trudnym do osi\u0105gni\u0119cia celem ze wzgl\u0119du na ogromn\u0105 r\u00f3\u017cnorodno\u015b\u0107 polityp\u00f3w tego materia\u0142u; wytworzenie du\u017cych monokryszta\u0142\u00f3w i cienkich warstw niezb\u0119dnych do produkcji tranzystor\u00f3w MOSFET okaza\u0142o si\u0119 niezwykle trudnym zadaniem.<\/p>\n
Firma Cree oraz inne przedsi\u0119biorstwa osi\u0105gn\u0119\u0142y prze\u0142om w technologii w\u0119glika krzemu dzi\u0119ki wprowadzeniu technologii Gate-Injection. Proces ten umo\u017cliwia sterowanie urz\u0105dzeniami przy u\u017cyciu mniejszego pr\u0105du bramkowego, co zmniejsza zale\u017cno\u015b\u0107 ich rezystancji w stanie przewodzenia od temperatury, poprawiaj\u0105c jednocze\u015bnie ich wydajno\u015b\u0107.<\/p>\n
W zwi\u0105zku z tym tranzystory MOSFET mo\u017cna bezpiecznie zasila\u0107 napi\u0119ciami roboczymi o wy\u017cszych warto\u015bciach bez ryzyka wzrostu rezystancji w stanie przewodzenia lub wyst\u0105pienia efekt\u00f3w paso\u017cytniczych, takich jak up\u0142yw przez tlenek bramki \u2013 co zapewnia znaczn\u0105 przewag\u0119 nad konwencjonalnymi tranzystorami IGBT i tranzystorami bipolarnymi, kt\u00f3re wymagaj\u0105 obni\u017cenia parametr\u00f3w znamionowych w przypadku zasilania napi\u0119ciem przekraczaj\u0105cym ich warto\u015bci znamionowe.<\/p>\n
W listopadzie 2021 roku firma UnitedSiC do\u0142\u0105czy\u0142a do grupy sp\u00f3\u0142ek Qorvo, wprowadzaj\u0105c na rynek tranzystory polowe z w\u0119glika krzemu o niskiej rezystancji przewodzenia i parametrach znamionowych 750 V\/6 m\u03a9, kt\u00f3re zapewniaj\u0105 wzrost wydajno\u015bci niezb\u0119dny w zastosowaniach du\u017cej mocy, takich jak falowniki trakcyjne pojazd\u00f3w elektrycznych (EV), przemys\u0142owe systemy konwersji mocy oraz systemy energii odnawialnej. Tranzystory FET te pozwalaj\u0105 projektantom zmniejszy\u0107 rozmiar, mas\u0119 i z\u0142o\u017cono\u015b\u0107 systemu, jednocze\u015bnie poprawiaj\u0105c g\u0119sto\u015b\u0107 mocy i niezawodno\u015b\u0107 \u2013 kluczowe cechy o decyduj\u0105cym znaczeniu dla projektu.<\/p>\n
Krzem jest jednym z najcz\u0119\u015bciej stosowanych p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w w urz\u0105dzeniach elektronicznych. Jednak w miar\u0119 jak jego ograniczenia w zastosowaniach wysokopr\u0105dowych zbli\u017caj\u0105 si\u0119 do granic mo\u017cliwo\u015bci, rozwi\u0105zaniem staj\u0105 si\u0119 dwa rodzaje urz\u0105dze\u0144 z p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w z\u0142o\u017conych: tranzystory mocy z azotku galu (GaN) i w\u0119glika krzemu (SiC) \u2013 ka\u017cdy z nich ma unikalne zalety, dzi\u0119ki kt\u00f3rym stanowi\u0105 doskona\u0142\u0105 alternatyw\u0119 dla standardowych tranzystor\u00f3w IGBT i tranzystor\u00f3w MOSFET krzemowych w obwodach przetwarzania mocy.<\/p>\n
P\u00f3\u0142przewodniki z\u0142o\u017cone charakteryzuj\u0105 si\u0119 szerok\u0105 przerw\u0105 energetyczn\u0105, co pozwala im pracowa\u0107 w znacznie wy\u017cszych temperaturach ni\u017c ich odpowiedniki oparte na krzemie. Termin \u201cszeroka\u201d odnosi si\u0119 do przerwy energetycznej mi\u0119dzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia, kt\u00f3ra jest oko\u0142o trzy razy szersza ni\u017c przerwa w krzemie wynosz\u0105ca 1,12 eV, co pozwala urz\u0105dzeniom o tej szerszej przerwie na obs\u0142ug\u0119 wy\u017cszych napi\u0119\u0107 i pr\u0105d\u00f3w bez problem\u00f3w zwi\u0105zanych z zak\u0142\u00f3ceniami spowodowanymi aktywacj\u0105 termiczn\u0105.<\/p>\n
GaN i SiC mog\u0105 pracowa\u0107 przy wy\u017cszych cz\u0119stotliwo\u015bciach prze\u0142\u0105czania, co z kolei pozwala na zmniejszenie strat mocy i zwi\u0119kszenie sprawno\u015bci obwod\u00f3w elektronicznych. GaN i SiC charakteryzuj\u0105 si\u0119 r\u00f3wnie\u017c dziesi\u0119ciokrotnie wy\u017csz\u0105 odporno\u015bci\u0105 na napi\u0119cie ni\u017c krzem, dzi\u0119ki czemu doskonale nadaj\u0105 si\u0119 do zastosowa\u0144 takich jak szybkie prze\u0142\u0105czniki unipolarne.<\/p>\n
Zalet\u0105 tych p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w s\u0105 wi\u0119ksze przerwy energetyczne, kt\u00f3re umo\u017cliwiaj\u0105 produkcj\u0119 cie\u0144szych p\u0142ytek ni\u017c w przypadku tradycyjnych urz\u0105dze\u0144 krzemowych, co przek\u0142ada si\u0119 na ni\u017cszy op\u00f3r w stanie przewodzenia oraz wzrost krytycznego pola przebicia tych urz\u0105dze\u0144. Ponadto to wi\u0119ksze pole krytyczne pozwala urz\u0105dzeniom o tej samej warto\u015bci znamionowej napi\u0119cia, co mniejsze urz\u0105dzenia, osi\u0105ga\u0107 dan\u0105 warto\u015b\u0107 znamionow\u0105 napi\u0119cia w spos\u00f3b bardziej op\u0142acalny oraz zmniejsza\u0107 og\u00f3lne rozmiary przetwornik\u00f3w mocy.<\/p>\n
Wraz ze wzrostem popytu na pojazdy elektryczne ro\u015bnie r\u00f3wnie\u017c zapotrzebowanie na niezawodne uk\u0142ady elektroniki mocy, kt\u00f3re mog\u0105 przetwarza\u0107 i przekszta\u0142ca\u0107 energi\u0119 elektryczn\u0105 w energi\u0119 u\u017cytkow\u0105. Chocia\u017c p\u00f3\u0142przewodniki krzemowe maj\u0105 swoje ograniczenia w zastosowaniu jako elementy obwod\u00f3w przetwarzania mocy, najnowsze osi\u0105gni\u0119cia techniczne poszerzy\u0142y zakres mo\u017cliwo\u015bci wynikaj\u0105cych z wykorzystania p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w o szerokiej przerwie energetycznej.<\/p>\n
Dzi\u0119ki tym nowym technologiom systemy przetwarzania mocy staj\u0105 si\u0119 znacznie mniejsze i wydajniejsze ni\u017c kiedykolwiek wcze\u015bniej. Firma Cree zaprezentowa\u0142a niedawno pierwszy w bran\u017cy modu\u0142 mocy z sze\u015bcioma tranzystorami MOSFET z SiC, umieszczony w standardowej obudowie o \u015brednicy 45 mm, kt\u00f3ry zmniejsza straty mocy a\u017c o 75%, jednocze\u015bnie zwi\u0119kszaj\u0105c g\u0119sto\u015b\u0107 mocy o 50% i obni\u017caj\u0105c ca\u0142kowity koszt systemu o 70%.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Silicon carbide power devices play an integral part in improving energy efficiency of electric vehicles due to their excellent material properties. Silicon carbide in its pure form behaves as an insulator; however, when doped with impurities (dopants), it can transform into an electronic semiconductor. Dopants for this use include nitrogen or phosphorous doping for n-type […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"site-sidebar-layout":"default","site-content-layout":"","ast-site-content-layout":"","site-content-style":"default","site-sidebar-style":"default","ast-global-header-display":"","ast-banner-title-visibility":"","ast-main-header-display":"","ast-hfb-above-header-display":"","ast-hfb-below-header-display":"","ast-hfb-mobile-header-display":"","site-post-title":"","ast-breadcrumbs-content":"","ast-featured-img":"","footer-sml-layout":"","theme-transparent-header-meta":"","adv-header-id-meta":"","stick-header-meta":"","header-above-stick-meta":"","header-main-stick-meta":"","header-below-stick-meta":"","astra-migrate-meta-layouts":"default","ast-page-background-enabled":"default","ast-page-background-meta":{"desktop":{"background-color":"var(--ast-global-color-4)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""},"tablet":{"background-color":"","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""},"mobile":{"background-color":"","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""}},"ast-content-background-meta":{"desktop":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""},"tablet":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""},"mobile":{"background-color":"var(--ast-global-color-5)","background-image":"","background-repeat":"repeat","background-position":"center center","background-size":"auto","background-attachment":"scroll","background-type":"","background-media":"","overlay-type":"","overlay-color":"","overlay-gradient":""}},"footnotes":""},"categories":[64],"tags":[],"class_list":["post-563","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-knowledge"],"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/563","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=563"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/563\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":564,"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/563\/revisions\/564"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=563"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=563"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/ceramicatijolart.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=563"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}