Semiconductor de carbură de siliciu

Semiconductorul de carbură de siliciu este un semiconductor neconvențional cu bandă interzisă largă, cu numeroase avantaje inerente față de omologii săi din siliciu, inclusiv temperaturi de funcționare mai ridicate, frecvențe de comutare mai rapide și pierderi reduse ale dispozitivelor.Componentele de putere SiC oferă costuri semnificativ mai mici decât omologii lor pe bază de siliciu, datorită reducerii costurilor de substrat, care reprezintă o parte enormă din cheltuielile totale ale componentelor.

Temperatură ridicată

Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor extrem de dur și refractar care poate funcționa în medii dificile în care majoritatea componentelor electronice nu pot funcționa, inclusiv temperaturi ridicate, vibrații extreme, medii chimice ostile și expunerea la radiații. Senzorii și componentele electronice SiC care pot rezista la aceste condiții extreme ar putea revoluționa multe sisteme - de la transmisia de energie pentru mașini electrice și utilități publice până la microunde mai puternice pentru radar și aplicații de comunicare prin telefon mobil.

O metodă de producere a SiC este procesul Lely. Aici, pulberea de SiC este sublimată în specii de înaltă temperatură de siliciu, carbon și dicarbură de siliciu și apoi depusă sub formă de monocristale sub formă de fulgi la 2 500 de grade C înainte de a fi depusă pe substraturi; se obțin astfel monocristale 6H-SiC de înaltă calitate cu dimensiuni de până la 2 cm2.

Au existat mai multe politipuri de SiC la presiune scăzută, inclusiv 3C, 4H, 15R și 21R. Fiecare politip a prezentat moduri fononice puternice cu structuri similare. Cercetătorii au studiat dependența de presiune a marginilor de absorbție ale acestora; o investigație a 6H-SiC dopat cu azot a arătat că banda sa are o derivată de presiune negativă invariantă; această constatare a confirmat calculele teoretice.

De înaltă tensiune

Dispozitivele de înaltă tensiune, cum ar fi semiconductorii, diodele și IGBT-urile, sunt componente esențiale pentru aplicații care variază de la controlul motoarelor, invertoare solare și încărcătoare de baterii la motorsport. Din păcate, însă, amprenta lor mare necesită o producție semnificativă de căldură, ceea ce duce la pierderi semnificative prin conducție. Utilizarea dispozitivelor din carbură de siliciu (SiC) poate reduce pierderile de comutare și, în același timp, crește fiabilitatea prin tensiuni de blocare mai mari și pierderi de conducție reduse.

SiC se deosebește de siliciu printr-o intensitate a câmpului electric de rupere semnificativ mai mare, ceea ce îi permite să atingă temperaturi de funcționare mai ridicate fără a-și pierde performanța. Acest lucru face din SiC o alegere excelentă pentru dispozitivele de putere de înaltă tensiune, cum ar fi IGBT-urile, diodele SB și MOSFET-urile; în plus, intervalul său de bandă de trei ori mai mare îl face mai potrivit pentru condiții extreme decât siliciul.

Mai multe companii au dezvoltat MOSFET-uri din carbură de siliciu (WBG) cu bandă largă concepute special pentru invertoare auto și industriale, cu puncte de întrerupere de 650 V și unele dintre cele mai mici rezistențe la pornire pe suprafață disponibile pe orice dispozitiv din clasa lor. MOSFET-ul ON Semiconductor NTH4L015N065SC1 SiC are o rezistență de poartă internă care elimină rezistențele externe în circuitele de comandă pentru timpi de comutare mai rapizi.

Frecvență ridicată

Semiconductorii din carbură de siliciu de înaltă frecvență au deținut o cotă de piață substanțială în 2021 și se preconizează că vor înregistra o creștere continuă în perioada de prognoză, datorită benzii sale largi care ajută la reducerea pierderilor de putere și a fiabilității pentru aplicațiile de comutare de mare viteză. Carbura de siliciu are, de asemenea, multe aplicații în cadrul tranzitului feroviar și în mediile vehiculelor electrice, unde dispozitivele sale ajută la reducerea dimensiunii și greutății echipamentelor pentru costuri de operare mai mici și eficiență îmbunătățită - cum ar fi îmbunătățirea fiabilității pentru trenurile japoneze din linia Shinkansen prin utilizarea lor ca convertoare de tracțiune.

Dispozitivele semiconductoare din carbură de siliciu au înregistrat o creștere extraordinară în ultimii ani, datorită creșterii eforturilor de sustenabilitate și electrificare, oferind performanțe superioare siliciului și arsenidului de siliciu în aplicații de înaltă tensiune/frecvență. Nitrurile de galiu (GaN) fac, de asemenea, parte integrantă din dispozitivele semiconductoare de generația a treia și oferă mai multe opțiuni decât siliciul atunci când sunt utilizate pentru aplicații de înaltă tensiune/frecvență.

Carbura de siliciu (SiC) este un aliaj compus din siliciu și carbon. Acest compus chimic prezintă legături covalente puternice, asemănătoare diamantelor. SiC este produs prin combinarea siliciului cu carbonul într-un cuptor electric la temperaturi ridicate; band-gap-ul său a fost măsurat la 3,26eV. În plus, SiC poate funcționa la temperaturi, tensiuni și frecvențe mai ridicate decât siliciul.

De mare putere

Semiconductorii de putere din carbură de siliciu oferă capacități de mare putere, contribuind în același timp la reducerea greutății, dimensiunilor și costurilor în dispozitivele electronice. Toleranța lor la temperatură și tensiune le face potrivite pentru stâlpi de încărcare, centre de date și alte aplicații solicitante - în special cele care implică vehicule electrice (EV). În plus, capacitățile lor de comutare mai rapidă și rezistența ON redusă le fac alegeri mai bune decât dispozitivele din siliciu - un aspect deosebit de important atunci când se iau în considerare viitoarele aplicații de transport feroviar, unde capacitatea de încărcare va fi un factor-cheie de creștere.

Carbura de siliciu, denumită și moissanite, a fost descoperită pentru prima dată în meteoriți cu peste 4,6 miliarde de ani în urmă. În prezent, se extrage de pe Pământ în cantități mici pentru a fi utilizat ca piatră prețioasă, dar cea mai mare parte este produsă artificial; cel mai frecvent este dopat cu azot sau fosfor pentru bijuterii cu pietre prețioase și cu beriliu, bor sau aluminiu pentru producția de bijuterii. Carbura de siliciu poate fi, de asemenea, dopată de tip n cu substanțe dopante de azot și fosfor, în timp ce suprafața sa dură și incoloră permite doparea cu substanțe dopante care permit doparea atât de tip n, cât și de tip p, în funcție de faptul dacă doparea are loc în mod natural sau este produsă artificial - la fel cum ar arăta bijuteriile cu diamante. Carbura de siliciu poate fi, de asemenea, produsă artificial sub formă de bijuterii de moissanite din meteoriți de acum peste 4,6 miliarde de ani! Acesta poate fi apoi utilizat în producția de bijuterii. Cea mai mare parte a carburii de siliciu poate fi, de asemenea, produsă artificial de atunci! Substanță dură incoloră care poate fi dopată fie cu azot, fie cu fosfor, în timp ce este dopată de tip p cu beriliu, bor sau aluminiu, în funcție de aplicația dorită! Carbura de siliciu a fost descoperită pentru prima dată în meteoriți de pe Pământ încă de acum Acum 4,6 miliarde de ani! Acum 4,6 miliarde de ani! Acum 4,6 miliarde de ani...

SiC este un compus inovator alcătuit din siliciu (număr atomic 14) și carbon (număr atomic 6), legate prin legături covalente puternice pentru a forma un compus chimic cu structură hexagonală de impact, cu o proprietate semiconductoare cu un interval de bandă extrem de larg - de trei ori mai larg decât siliciul tradițional! De asemenea, are caracteristici electrice unice care îl pot face de dorit pentru anumite aplicații.

Temperatură scăzută

Carbura de siliciu este un material industrial capabil să reziste la temperaturi și tensiuni ridicate, ceea ce îl face alegerea perfectă pentru semiconductorii de putere. Datorită durabilității și funcționării sale pe termen lung, utilizarea unor plachete mai subțiri va duce la creșterea eficienței, în timp ce fiabilitatea sa permite funcționarea pe termen lung și o durată de utilizare mai lungă. În plus, carbura de siliciu se mândrește cu rate scăzute de dilatare termică și este inert din punct de vedere chimic.

Carbura de siliciu dură și rezistentă la coroziune este un material abraziv excelent și este utilizată pe scară largă la tăierea materialelor refractare, cum ar fi fierul rece, marmura și granitul; la șlefuirea oțelului electric; la imprimarea cu carborundum (utilizarea carburii de siliciu granulare uscate pentru imprimarea imaginilor); tehnicile de imprimare cu carborundum și producția de hârtie cu carborundum sunt, de asemenea, practicate în mod obișnuit utilizând foi abrazive din carbură de siliciu ca unelte; precum și la fabricarea produselor din hârtie abrazivă.

Moissanita naturală poate fi găsită doar în cantități foarte mici în meteoriți, depozite de corindon și kimberlite. Majoritatea moissanitei disponibile în comerț este produsă sintetic prin dizolvarea carbonului în siliciu topit pentru a forma carbură de siliciu alfa, care se combină cu alumina pentru a forma carborundum sau b-SiC, cunoscut sub numele de carborundum. Acest compus stabil se mândrește cu structura cubică a diamantului, cu tetraedrele SiC umplute pe jumătate, ceea ce asigură o bună conductivitate datorită razei atomice similare cu a altor cristale de diamant, precum și proprietăți cu punct de topire ridicat.

Joasă tensiune

Semiconductorii din carbură de siliciu au câștigat o largă acceptare în cadrul industriei electronicii de putere datorită eficienței, durabilității și caracteristicilor de răcire. Sunt utilizate pe scară largă în convertoare de putere, încărcătoare EV, invertoare solare, acționări și controlere de motoare, precum și în medii de temperatură/tensiune mai ridicate decât dispozitivele convenționale din siliciu - în special datorită rezistențelor de pornire și pierderilor de comutare mai mici, potrivite pentru aplicații de mare viteză.

Se preconizează că semiconductorii de putere vor deveni o tehnologie esențială în aplicațiile auto datorită numeroaselor avantaje pe care le prezintă față de dispozitivele tradiționale. Acestea au o bandă de dispersie mai largă, ceea ce permite funcționarea pe un spectru mai larg de temperatură și tensiune, precum și un consum redus de energie și greutate.

SiC poate înlocui IGBT-urile și tranzistoarele bipolare care au tensiuni de rupere ridicate și pierderi de comutare mari cu dispozitive de comutare mai rapide care au rezistențe la pornire reduse, ceea ce duce la mai puține pierderi de putere și generare de căldură. Bandgap-ul larg al SiC permite acestor dispozitive să comute mai rapid, oferind în același timp mai puțină rezistență la pornire pentru reducerea generării de căldură și a pierderilor de putere.

Carbura de siliciu este un material natural amorf care se găsește în forme extrem de rare, cum ar fi bijuteriile de moissanite. Produs prin reacția siliciului cu carbonul într-un cuptor electric la temperaturi ridicate, carbura de siliciu poate fi, de asemenea, utilizată în imprimarea cu carborundum, folosind o placă de aluminiu acoperită cu granule de carborundum pentru tehnici de imprimare cum ar fi imprimarea cu carborundum.

Cost redus

Dispozitivele semiconductoare din carbură de siliciu au câștigat un interes din ce în ce mai mare în sectorul tehnologic datorită naturii lor compacte și performanței electrice superioare, fiabilității, rezistenței la tensiune și toleranței la temperatură mai mari decât dispozitivele mai vechi, ușurinței de manipulare și capacităților de instalare și dimensiunilor mici, ceea ce a dus la creșteri dramatice ale cererii lor.

Carbura de siliciu (SiC) este un compus chimic indestructibil, cu structură hexagonală, alcătuit din siliciu și carbon legate prin legături covalente puternice pentru a forma legături covalente tetraedrice puternice. SiC are un interval de bandă excepțional de larg, permițând electronilor să se deplaseze liber pe orbitalii săi hibrizi sp3 - ceea ce îl face un material versatil cu multe utilizări și beneficii.

Semiconductorii din carbură de siliciu au cunoscut o creștere explozivă datorită cererii în creștere de vehicule electrice și infrastructură 5G, în special datorită tensiunii critice ridicate de rupere, rezistenței mai mici la pornire și densității crescute de putere - factori-cheie care stau la baza creșterii lor fenomenale.

Semiconductorii din carbură de siliciu au o conductivitate termică superioară și capacitatea de a rezista la medii cu temperaturi ridicate, ceea ce îi face materialul perfect pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare de putere. Astfel de dispozitive pot fi găsite în laserele de înaltă energie, celulele solare și fotodetectoarele, precum și utilizate ca termistori/varistoare în cuptoarele de înaltă temperatură.