Semicondutor de carbeto de silício

O silício é bem conhecido como o material de referência na produção de semicondutores, mas outro material pode se tornar a próxima grande novidade para aplicações de energia - o carbeto de silício.

O carbeto de silício (SiC) apresenta propriedades elétricas e térmicas superiores às do silício, com tensão de ruptura significativamente mais alta e menor resistência à ativação quando se trata de aplicações de comutação de alta velocidade. Devido a esses benefícios, o SiC se destaca como um material mais adequado do que o silício para essas tarefas.

Benefícios

Os semicondutores de carbeto de silício são utilizados em vários dispositivos eletrônicos, desde veículos elétricos e sistemas de energia solar até a tecnologia 5G. Suas características térmicas e elétricas distintas os tornam mais econômicos do que seus equivalentes de silício; por isso, sua popularidade disparou ao longo dos anos. A demanda também disparou.

Os semicondutores de carbeto de silício oferecem muitas vantagens em termos de eficiência energética, velocidades de comutação mais rápidas, perdas reduzidas de dispositivos e resistência superior a altas temperaturas e tensões de ruptura em comparação com seus equivalentes de silício. Além disso, sua construção mais durável permite que eles resistam melhor a condições ambientais adversas, o que contribui para que se tornem escolhas populares para novas aplicações, como estações de carregamento de veículos elétricos e inversores solares.

Os IGBTs e os transistores bipolares eram anteriormente os dispositivos de referência para aplicações de eletrônica de potência, mas esses dispositivos apresentam vários desafios, como frequências de chaveamento limitadas e produção excessiva de calor. Os dispositivos de SiC apresentam gaps de banda mais amplos que permitem frequências de chaveamento mais altas com resistência de ativação reduzida e, ao mesmo tempo, têm um ponto de fusão mais baixo do que o silício, o que significa que podem tolerar temperaturas mais altas com facilidade.

Dependendo de sua aplicação, os semicondutores de carbeto de silício podem ser utilizados com outros materiais, como polímeros e cerâmicas, e, portanto, devem ser testados minuciosamente para garantir a qualidade e a segurança - esses métodos incluem testes de fluorescência de raios X e espectrometria de massa de descarga luminescente (GDMS).

Aplicativos

O carbeto de silício é um material impressionante capaz de revolucionar a eletrônica de potência. Um semicondutor de banda larga, o carbeto de silício oferece várias vantagens em relação aos seus equivalentes de silício em termos de lidar com picos de tensão, tempos de comutação mais rápidos e menores perdas de dispositivo, além de ser resistente a temperaturas mais altas - qualidades que o tornam adequado para veículos elétricos, aplicações industriais e inversores solares.

O carbeto de silício (SiC) é o material cerâmico mais leve e mais duro, com condutividade térmica superior e resistência química contra ácidos e lixívias. Além disso, o SiC oferece isolamento elétrico 10 vezes maior do que o do silício, com uma força de campo de ruptura extremamente alta, dez vezes maior do que a força de campo de ruptura do silício, sendo totalmente atóxico em sua composição.

Os dispositivos de energia SiC se tornaram um recurso indispensável em várias aplicações. Desde a viabilização do avanço da eletromobilidade até o suporte à digitalização em ambientes industriais, esses dispositivos de energia provaram ser úteis em uma série de setores e indústrias. De sistemas de gerenciamento de bateria e carregadores de bordo a conversores CC/CC, os dispositivos SiC rapidamente se tornaram um padrão do setor, ajudando a tornar a vida mais sustentável e, ao mesmo tempo, diminuindo os custos das estações de carregamento.

O carbeto de silício revolucionou a eletrônica de potência devido às suas propriedades físicas e eletrônicas exclusivas. Por ser um dos únicos semicondutores de banda larga com estrutura cristalina hexagonal (4H-SiC), o carbeto de silício é um excelente material para dispositivos de energia de alta tensão que precisam resistir a ambientes adversos e, ao mesmo tempo, ter velocidades de comutação mais rápidas, perdas menores e até mesmo ser usado em frequências muito altas sem comprometer o desempenho ou a confiabilidade. Esse material poderia substituir os IGBTs ou transistores bipolares existentes sem comprometer o desempenho ou a confiabilidade.

Fabricação

O carbeto de silício (SiC) é um material semicondutor extremamente versátil. Ele pode ser altamente dopado, tanto do tipo n quanto do tipo p, com nitrogênio, fósforo, alumínio ou gálio para obter condutividade metálica e dar aos cristais de SiC puro o brilho característico do arco-íris; os produtos industriais geralmente apresentam impurezas de ferro que alteram sua cor de marrom para preto.

As propriedades isolantes desse semicondutor decorrem de sua estrutura cristalina. Suas camadas atômicas criam um ajuste apertado entre as bandas de valência e de condução, tornando o movimento de elétrons entre as camadas mais desafiador, o que lhe dá a capacidade de suportar quase dez vezes mais campos elétricos do que o silício.

Os diodos Schottky de carbeto de silício oferecem resistência reduzida e carga total de porta, o que os torna mais eficientes e mais rápidos do que seus equivalentes baseados em silício - ideais para aplicações que demandam muita energia, como conversores de energia e interruptores em veículos elétricos ou sistemas de energia renovável.

A fabricação de semicondutores de carbeto de silício é um processo complexo. Ele envolve o uso de vários equipamentos para produzir wafers com rugosidade de superfície inferior a 1 mícron, antes do polimento com fluido de polimento químico-mecânico (CMP) em almofadas impregnadas de feltro ou uretano para remover danos e oxidação da superfície - essa etapa, conhecida como polimento químico-mecânico, é crucial para preparar as superfícies do substrato para o crescimento epitaxial e, ao mesmo tempo, manter a estabilidade do formato do wafer.

Preços

O carbeto de silício tem várias formas e aplicações. De ferramentas de corte e abrasivos a semicondutores e até mesmo ao mineral translúcido moissanita, o carbeto de silício tem sido fabricado sinteticamente desde 1893 em instalações de produção em larga escala e encontrado naturalmente. Por ser um material duro e durável, ele pode suportar altas temperaturas e tensão mecânica sem quebrar.

Os semicondutores de carbeto de silício estão desfrutando de uma rápida expansão no mercado global à medida que as empresas buscam soluções eficazes de gerenciamento de energia. Suas propriedades térmicas e elétricas exclusivas os tornam escolhas populares entre as aplicações industriais; além disso, sua escalabilidade permite que os fabricantes reduzam os custos de produção.

A Allegro Microsystems é uma dessas empresas que está se expandindo para atender à crescente demanda por semicondutores de carbeto de silício. Como uma das líderes do setor em soluções de detecção e energia para acionamentos de motores, a Allegro está se expandindo para atender à demanda.

O carbeto de silício é um componente integral dos semicondutores de potência que se tornaram uma parte cada vez maior dos carregadores de baterias de veículos elétricos, sistemas de carregamento de veículos elétricos a bordo, conversores CC-CC, turbinas eólicas e inversores fotovoltaicos, à medida que aumenta a demanda por fontes de energia renováveis. Outros participantes importantes incluem a II-VI Coherent Corp., a Semiconductor Components Industries LLC e a WOLFSPEED INC. O uso do carbeto de silício como parte de semicondutores de potência deve impulsionar o crescimento nesse segmento de mercado.