Полупроводниковый карбид кремния

Полупроводник из карбида кремния обладает рядом преимуществ, которые делают его привлекательной альтернативой устройствам на основе кремния, в том числе способностью выдерживать высокие напряжения, повышать тепловую эффективность и уменьшать размеры и вес устройств силовой электроники в электромобилях.

SiC встречается в природе в моиссанитовых камнях и кимберлитовых месторождениях, однако большая часть этого материала производится синтетическим способом для использования в электронных компонентах, источниках питания и ядерных реакторах.

Широкая полоса пропускания

Карбид кремния (SiC) — это передовой полупроводниковый материал с чрезвычайно широкой запрещенной зоной, что позволяет устройствам на основе SiC выдерживать более высокие напряжения и токи, чем их кремниевые аналоги, благодаря чему они подходят для применения в силовой электронике, например в тяговых инверторах электромобилей и источниках бесперебойного питания.

Полупроводники — это материалы, которые попеременно ведут себя как проводники (например, медная электропроводка) и как изоляторы (например, полимерная изоляция на этой проводке). Зазор между зонами в полупроводниках представляет собой энергетический барьер между их валентной зоной (валентная зона) и зоной проводимости (зона проводимости). Бандовая щель позволяет полупроводниковым устройствам включать или выключать ток в соответствии с требованиями схем.

Ширина запрещенной зоны зависит от размера и прочности атомных связей в материалах, а также от температуры. Для возбуждения носителей в материалах с более широкой запрещенной зоной требуются более сильные электрические поля; отсюда и их пригодность для применения в высоковольтных системах. Материалы с широкой запрещенной зоной также характеризуются меньшими потерями на проводимость по сравнению с кремниевыми аналогами.

По данным Министерства энергетики США, полупроводники с широкой запрещенной зоной станут неотъемлемой составляющей систем возобновляемой энергетики, таких как солнечная и ветровая. Кроме того, полупроводники с широкой запрещенной зоной будут способствовать более быстрому внедрению электромобилей, упростят цифровизацию процессов в энергетике, позволят более значительно сократить затраты на протяжении всего жизненного цикла, сделают силовую электронику на основе полупроводников с широкой запрещенной зоной более компактной, быстрой, надежной и экономичной по сравнению с аналогами на основе кремния, а также обеспечат ряд других потенциальных преимуществ, благодаря которым она станет привлекательной альтернативой силовой электронике на основе кремния.

Высокая удельная мощность

Силовые полупроводниковые приборы на основе карбида кремния (SiC) доказали свою устойчивость при более высоких напряжениях, более низких температурах и более длительном сроке службы по сравнению с их кремниевыми (Si) аналогами. Кроме того, приборы на основе SiC можно объединять в более компактные источники питания с более высокой удельной мощностью, что делает их идеальным выбором для силовой электроники, которая связывает наш мир сегодня и в будущем.

Полупроводники на основе карбида кремния обладают широкой запрещенной зоной, что позволяет им передавать электрическую энергию более эффективно, чем традиционные кремниевые устройства: они быстро переключаются между состояниями проводника и диэлектрика, сводя к минимуму потери при переключении, что приводит к более быстрому преобразованию электроэнергии, снижению затрат на электроэнергию и сокращению потерь при преобразовании — благодаря чему они идеально подходят для использования в источниках питания центров обработки данных, модулях ветровой и солнечной энергетики, а также в преобразователях привода электромобилей.

По мере роста спроса на возобновляемую энергию будет расти и потребность в надёжных источниках питания. Полупроводниковые источники питания на основе карбида кремния позволяют экономить энергию и одновременно повышают эффективность систем возобновляемой энергетики благодаря высокой частоте переключения и широкому диапазону рабочих температур.

Независимо от того, идет ли речь о промышленном применении или о технологиях на базе аккумуляторных источников питания, компания Wolfspeed предлагает передовые решения в области силовых полупроводников, разработанные и изготовленные с использованием технологии SiC, — при этом она тесно сотрудничает с компанией Astrodyne TDI над созданием инновационных конструкций даже для самых сложных задач.

Низкое сопротивление включения

Полупроводники на основе карбида кремния обладают более высокими характеристиками блокирующего напряжения по сравнению с их кремниевыми аналогами, что позволяет им лучше справляться с большими токами и по потерям при переключении, тем самым повышая эффективность преобразования энергии и делая их пригодными для применения в высоковольтных системах, таких как тяговые инверторы в электромобилях.

Карбид кремния отличается от стандартных кремниевых полупроводников более широкой запрещенной зоной по сравнению с другими материалами, такими как нитрид галлия (GaN). Благодаря более широкой запрещенной зоне SiC обеспечивает более эффективную передачу электрической энергии, что делает его идеальным материалом для высоковольтных применений, поскольку он также способен выдерживать высокие температуры и воздействие излучения.

Карбид кремния отличается чрезвычайно низким сопротивлением включения и способен включаться и выключаться менее чем за 10 наносекунд — это бесценное качество для высокоскоростных приложений, поскольку оно снижает потери энергии и одновременно ускоряет работу. Кроме того, карбид кремния обладает низкой температурной зависимостью, что позволяет ему работать при более высоких температурах, чем традиционные полупроводники.

Карбид кремния выгодно отличается от традиционных полупроводниковых материалов тем, что его температура плавления значительно ниже, а также высокой стойкостью к коррозии под воздействием солей и кислот, что делает его идеальным материалом для суровых условий эксплуатации, таких как морские применения. Преимущества карбида кремния привели к его все более широкому применению в электронных устройствах, поскольку он способен увеличить запас хода за счет повышения эффективности тяговых инверторов — это одна из причин, по которой он может даже увеличить запас хода электромобилей!

Надежность

Карбид кремния (SiC) — это неорганическое химическое соединение, состоящее из кремния и углерода. В природе SiC встречается в виде драгоценного камня моиссанита, а в промышленных масштабах производится в виде порошка или монокристаллов для использования в качестве абразива. SiC также используется в бронежилетах; при легировании алюминием, бором, галлием или азотом он приобретает свойства, более характерные для полупроводниковых материалов, что позволяет создавать области полупроводника p-типа или n-типа, необходимые для изготовления электронных устройств.

Надежность SiC является ключевым фактором, определяющим его применение в качестве силовых устройств с широкой запрещенной зоной в высокопроизводительных системах, в отличие от его более распространенного предшественника — кремния. SiC обеспечивает более высокие напряжения, частоты переключения и меньшие паразитные эффекты по сравнению с кремнием; однако при оценке его надежности необходимо учитывать ряд важных факторов.

Испытания на надежность и модели прогнозирования срока службы являются важнейшими инструментами для оценки ожидаемого срока службы силовых устройств из карбида кремния. Промышленные испытания, как правило, направлены на то, чтобы как можно дольше эксплуатировать устройства при напряжении или токе, превышающих их максимальные номинальные значения, что подвергает их чрезмерной нагрузке и приводит к износу, данные о котором используются для прогнозирования среднего времени до отказа (MTTF).

Производители также должны уделять пристальное внимание космическим лучам, которые могут вызывать коррозионные повреждения оксидных слоев силовых устройств. Это особенно важно в аэрокосмической отрасли, где уровень радиации может превышать показатели, характерные для стандартных промышленных высот, в три раза.