Транзистор из карбида кремния

Силовые устройства на основе карбида кремния играют важную роль в повышении энергоэффективности электромобилей благодаря своим превосходным материальным свойствам.

Карбид кремния в чистом виде ведет себя как диэлектрик; однако при легировании примесями (легирующими добавками) он может превратиться в электронный полупроводник. В качестве допантов для этих целей используются азот или фосфор для получения материала n-типа, а легирование алюминием, бором или галлием позволяет превратить его в полупроводниковый материал p-типа.

Пробой высокого напряжения

Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния всё чаще рассматриваются в качестве подходящей замены кремниевым приборам в области силовой электроники, где имеют место высокие температуры или напряжения, особенно в условиях высоких напряжений или температур. Это обусловлено исключительно высокой пробивающей напряжённостью электрического поля, что означает, что они способны выдерживать гораздо большие токи, чем их кремниевые аналоги, и при этом выдерживать напряжение, в 10 раз превышающее напряжение, выдерживаемое MOSFET — что идеально подходит для высоковольтных цепей, используемых в электромобилях и спутниках.

Углеродные нанотрубки (CNT) выделяются благодаря более широкой запрещенной зоне, которая примерно в три раза превышает значение для кремния (1,1 эВ), что позволяет электронам легче попадать в зону проводимости для передачи электричества и снижает вероятность возникновения токов утечки в переходах — ключевые характеристики для устройств, предназначенных для надежной работы при повышенных температурах.

Карбид кремния отличается более высоким напряжением пробоя благодаря более тонкому слою истощения. Это обеспечивает прохождение большего количества свободных носителей, что повышает плотность тока и позволяет создавать более миниатюрные транзисторы, потребляющие меньше энергии; в результате повышается эффективность и снижается выделение тепла.

Одним из основных недостатков внедрения технологий на основе карбида кремния была их относительно высокая стоимость. Однако ученые разработали недорогой метод производства силовых выключателей из карбида кремния, благодаря которому этот материал стал пригодным для использования в высоковольтных системах.

Им удалось этого добиться благодаря применению новой технологии объединения однополярных и биполярных устройств в одной структуре — известной как объединенные диоды типа «пин-Шоттки» (MPS-диоды) — что позволило им сравнить характеристики эпитаксиальных и имплантированных переходов; эпитаксиальные диоды оказались более стабильными благодаря более высокому сопротивлению обратного тока при высоких температурах (RDS(ON)).

Карбид кремния в скором времени может найти более широкое применение в силовой электронике, что принесет пользу как экономике, так и окружающей среде. Хотя SiC уже используется в некоторых областях, таких как светодиодные излучатели и детекторы для ранних моделей радиоприемников, его огромный потенциал означает, что в скором времени он может найти применение повсеместно — от наземных электромобилей до приборов на марсоходах, исследующих Венеру, или зондов, рассчитанных на работу в условиях экстремальных температур этой планеты.

Высокая плотность тока

Карбид кремния — чрезвычайно твёрдый и плотный материал, обладающий рядом свойств, которые определяют его успех в качестве элемента полупроводниковых устройств. Одной из таких характеристик является высокая пробивное напряжение, что позволяет устройствам, изготовленным из этого материала, выдерживать гораздо более высокие плотности тока, чем это было бы возможно в случае с кремниевыми устройствами, что открывает возможности для применения в системах высокой мощности и обеспечивает более быстрое время переключения при больших нагрузках. Кроме того, его более низкое сопротивление в включенном состоянии приводит к снижению потерь, что особенно выгодно при проектировании преобразователей мощности или аналогичных устройств.

Транзисторы на основе карбида кремния отличаются высоким напряжением пробоя, что позволяет им работать при более высоких температурах, чем другие полупроводники, благодаря чему они широко применяются в высокотемпературных системах, таких как источники питания для электромобилей или оборудование, используемое в космических миссиях. Помогая снизить тепловыделение в этих устройствах, они позволяют повысить их эффективность и одновременно увеличить надежность.

Карбид кремния уже давно признан полупроводниковым материалом, способным проводить электричество при легировании определёнными примесями, однако устройства коммерческого качества, изготовленные из этого материала, появились лишь недавно. Это связано с тем, что кристаллическая структура материала образует более 150 политипов, что делает процесс выращивания, подходящий для изготовления электронных устройств, более сложным, чем предполагалось ранее.

Для создания этих новых силовых полупроводников была применена уникальная технология обработки. Это стало возможным благодаря использованию пучков углеродных ионов с последующим термическим окислением либо одновременному применению обоих процессов с целью снижения плотности дефектов в виде углеродных вакансий.

Устройства на основе SiC, как правило, имеют структуру однополярного транзистора с металлическим анодом или p+n-диодом, установленным на верхнем слое, и n-слоем (областью блокировки напряжения), соединенным с подложкой с низким сопротивлением, что позволяет току протекать при положительном смещении, но полностью блокирует ток при отрицательном смещении. Такая схема обеспечивает прохождение тока при положительном смещении, но полностью предотвращает его при отрицательном смещении.

Низкое сопротивление в включенном состоянии

Карбид кремния (SiC) широко известен как абразивный материал и компонент, используемый в керамике бронежилетов, однако его полупроводниковые свойства также делают его потенциальной заменой устройствам на основе кремния в области силовой электроники. Устройства на основе SiC отличаются высоким блокирующим напряжением, быстрым временем переключения и низким сопротивлением в включенном состоянии, что помогает снизить потери при использовании в таких системах, как тяговые инверторы и бортовые зарядные устройства для электромобилей.

Электрические характеристики карбида кремния уже давно признаны превосходящими характеристики традиционных кремниевых полупроводников. В частности, этот материал с широкой запрещенной зоной отличается чрезвычайно высокой температурой плавления, низкой диэлектрической проницаемостью и чрезвычайно высокой пробивающей напряженностью поля, а также высокими значениями насыщенной скорости дрейфа электронов и теплопроводности — все это делает его выдающимся кандидатом для использования в производстве электронных полупроводниковых устройств.

Однако до недавнего времени создание устройств коммерческого качества на основе карбида кремния оставалось недостижимой целью из-за огромного разнообразия его политипов; получение крупных монокристаллов и тонких пленок, необходимых для изготовления МОП-транзисторов, оказалось чрезвычайно сложной задачей.

Компания Cree и другие фирмы смогли добиться прорыва в области технологий на основе карбида кремния благодаря внедрению технологии Gate-Injection. Данный процесс позволяет управлять устройствами с меньшим током затвора, что снижает температурную зависимость их сопротивления в включенном состоянии и одновременно повышает их рабочие характеристики.

Таким образом, MOSFET можно безопасно эксплуатировать при более высоких рабочих напряжениях без увеличения сопротивления в включенном состоянии или возникновения паразитных эффектов, таких как утечка через оксид затвора, что обеспечивает значительные преимущества по сравнению с традиционными IGBT и биполярными транзисторами, которые требуют снижения номинальных параметров при работе за пределами номинальных значений.

В ноябре 2021 года компания UnitedSiC вошла в состав группы компаний Qorvo, предложив на рынке полевые транзисторы на основе карбида кремния с низким сопротивлением в включенном состоянии и номинальными параметрами 750 В/6 мОм, которые обеспечивают повышение эффективности, имеющее решающее значение для высокомощных приложений, таких как тяговые инверторы электромобилей (EV), промышленные системы преобразования энергии и системы возобновляемой энергетики. Эти полевые транзисторы позволяют разработчикам уменьшить размеры, вес и сложность систем, одновременно повышая удельную мощность и надежность — ключевые характеристики, имеющие решающее значение при проектировании.

Широкая полоса пропускания

Кремний является одним из наиболее широко используемых полупроводников в электронных устройствах. Однако по мере того как его возможности в областях применения с высокой мощностью приближаются к пределу, в качестве решения выступают два типа устройств на основе сложных полупроводников: силовые транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC) — каждый из них обладает уникальными преимуществами, которые делают их отличными альтернативами стандартным IGBT и Si-MOSFET в схемах преобразования мощности.

Сложные полупроводники обладают широкой запрещенной зоной, что позволяет им работать при гораздо более высоких температурах, чем их кремниевые аналоги. Термин “широкая” относится к энергетической щели между валентной и зоной проводимости, которая примерно в три раза шире, чем у кремния (1,12 эВ), что позволяет устройствам с такой более широкой щелью выдерживать более высокие напряжения и токи без проблем, связанных с термической активацией.

GaN и SiC способны работать на более высоких частотах переключения, что, в свою очередь, позволяет снизить потери мощности и повысить КПД электронных схем. Кроме того, GaN и SiC обладают в десять раз более высокой напряженной стойкостью по сравнению с кремнием, благодаря чему они отлично подходят для таких применений, как быстрые однополярные переключатели.

Преимуществом этих полупроводников является более широкая запрещенная зона, что позволяет изготавливать более тонкие пластины по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами, что приводит к снижению сопротивления в включенном состоянии и увеличению критического поля пробоя в таких устройствах. Кроме того, благодаря более высокому значению критического поля устройства с таким же номинальным напряжением, что и более компактные устройства, позволяют достигать заданного номинального напряжения с меньшими затратами и в целом уменьшать размеры преобразователей мощности.

По мере роста спроса на электромобили растет и потребность в надёжных системах силовой электроники, способных обрабатывать и преобразовывать электрическую энергию в полезную мощность. Хотя полупроводники на основе кремния имеют свои ограничения при использовании в качестве компонентов схем преобразования энергии, новые разработки расширили возможности применения полупроводников с широкой запрещенной зоной.

Благодаря этим новым технологиям системы преобразования энергии становятся значительно компактнее и эффективнее, чем когда-либо ранее. Компания Cree недавно представила первый в отрасли силовой модуль с шестью MOSFET на основе SiC, выполненный в стандартном для отрасли корпусе размером 45 мм, который позволяет сократить потери мощности на целых 75%, одновременно повысив удельную мощность на 50% и снизив общую стоимость системы на 70%.