Tranzistor z karbidu kremíka

Karbid kremíka prináša revolúciu do výkonovej elektroniky. Pomaly nahrádza tradičné kremíkové tranzistory a zároveň ponúka výrazné zvýšenie výkonu.

Vzhľadom na fyzikálne a elektronické vlastnosti materiálu sa inžinieri môžu zdráhať prijať túto technológiu. Bohužiaľ, od jej úplného prijatia ich môžu odrádzať nesprávne predstavy.

Karbid kremíka sa vyskytuje v prírode ako moissanitové drahokamy a vyrába sa synteticky. Obe formy možno upraviť tak, aby sa správali ako polovodiče, a to dopovaním prvkami, ako sú hliník, bór, gálium a dusík.

1. Vysoké rozkladné napätie

Karbid kremíka (SiC) je elektronický materiál, ktorý sa prirodzene nachádza vo veľmi malých množstvách v meteoritoch, korundových ložiskách a kimberlitových horninách, zatiaľ čo väčšina SiC v elektronických zariadeniach pochádza zo syntetických zdrojov. SiC predstavuje ekonomickú alternatívu k tradičným kremíkovým polovodičom pri riešení náročných prúdových/napäťových požiadaviek v takýchto náročných aplikáciách.

SiC tranzistory si získali miesto medzi odborníkmi na výkonovú elektroniku vďaka svojmu pôsobivo vysokému prieraznému napätiu. Vďaka 10-krát väčšiemu kritickému elektrickému poľu ako kremík umožňuje SiC zariadeniam fungovať s výrazne zníženým odporom unášanej vrstvy na plochu, čo vedie k pôsobivo vysokým výdržným napätiam a extrémne nízkym hodnotám zapínacieho odporu.

Topológie s tvrdým spínaním, ako je korekcia účinníka totemovým pólom a synchrónny boost, sú možné s IGBT, zatiaľ čo ich vyššie odpory pri zapnutí vedú k značnej tvorbe tepla a spínacím stratám s IGBT a bipolárnymi tranzistormi, čo vedie k značnej tvorbe tepla a spínacím stratám.

Široké pásmo SiC umožňuje použitie menších vrstiev oxidu hradla, čo vedie k nižším parazitným prvkom, a tým k nižšiemu odporu pri zapnutí a vyššiemu výkonu - výhoda, ktorá je obzvlášť prospešná pri vysokorýchlostných spínacích aplikáciách, kde je potrebné podporovať vysoké frekvencie bez vytvárania nadmerného tepla.

SiC je dobre známy svojím vynikajúcim výkonom pri vysokých rýchlostiach, ale jeho tepelná vodivosť je ešte lepšia, viac ako trikrát vyššia ako u kremíka. To umožňuje zariadeniam vyrobeným zo SiC odvádzať veľké množstvo prebytočného výkonu aj pri vyšších teplotách bez poškodenia vnútorných štruktúr - čo kremíkové zariadenia nedokážu efektívne robiť, čo vedie k vyššej hustote výkonu a zníženiu strát.

2. Vysoká tepelná vodivosť

Karbid kremíka, v prírode bežne označovaný ako moissanit, je zloženie kremíka a uhlíka, ktoré sa v prírode vyskytuje ako modročierny minerál s polovodičovými vlastnosťami. Keďže elektronické zariadenia, ako sú tranzistory, počas svojej prevádzky generujú teplo, materiály schopné rýchlo ho odvádzať sú nevyhnutnými komponentmi.

Tepelná vodivosť karbidu kremíka zohráva neoddeliteľnú úlohu pri odvádzaní vzniknutého tepla. Vyššia tepelná vodivosť umožňuje polovodičovým zariadeniam rýchlejšie vychladnúť po vypnutí.

Vynikajúcu tepelnú vodivosť karbidu kremíka možno vysvetliť jeho oveľa vyššou hustotou mriežkových defektov v porovnaní s inými polovodičmi, ako je napríklad nitrid gália. To umožňuje, aby z povrchu čipu unikalo viac tepla, ktoré sa potom ľahko ochladí pomocou vodných alebo vzduchových chladiacich metód.

Hustá štruktúra karbidu kremíka a znížené mriežkové napätie ho z hľadiska výkonu prevyšujú nad inými polovodičovými materiálmi, ako je kremík, a znižujú tvorbu dislokácií.

Vedci skúmajúci karbid kremíka skúmali rôzne faktory, ktoré ovplyvňujú jeho tepelnú vodivosť, aby lepšie pochopili, prečo má tento materiál takú vysokú tepelnú vodivosť, ako napríklad obsah kyslíka/dusíka v mriežke, pórovitosť, veľkosť zŕn, fázovú transformáciu a zloženie prísad. Posudzovaním týchto prvkov jednotlivo a objavovaním súvislostí medzi nimi, ktoré vysvetľujú, prečo konkrétne aspekty vykazujú vysokú tepelnú vodivosť - poznatky, ktoré sa potom môžu použiť na jeho ďalšie zlepšovanie.

3. Vysoká rýchlosť spínania

Karbid kremíka, častejšie označovaný chemickým názvom SiC, je chemická zlúčenina zložená z kremíka a uhlíka, ktorú možno vyrábať vo veľkom. Prirodzene sa vyskytuje ako minerál moissanit a má polovodičové vlastnosti, používa sa ako brusivo, keramický materiál a surovina v kovospracujúcom priemysle.

Tranzistory z karbidu kremíka ponúkajú väčšie možnosti blokovacieho napätia a nižší špecifický odpor pri zapnutí ako tradičné kremíkové IGBT, čo umožňuje vyššie spínacie rýchlosti ako ich kremíkové náprotivky a ponúka tak inžinierom viac možností optimalizácie systému na vytvorenie menších a ľahších konštrukcií s lepšou účinnosťou konverzie energie - vrátane konštrukcií používaných ako trakčné meniče pre elektrické vozidlá.

Hoci výkonové polovodiče so širokým pásmom, ako je SiC, môžu poskytovať mnoho výhod, tieto zariadenia majú aj nevýhody. Jedným z hlavných problémov pri používaní takýchto polovodičov je ich neschopnosť tolerovať vysoké teploty - to vedie k problémom, ako je zvýšený únikový prúd vo vypnutom stave a znížená spoľahlivosť.

Inžinieri začali používať najmodernejšie technológie, ktoré pracujú pri vyšších spínacích frekvenciách a ponúkajú výhody, ako sú nižšie straty pri vedení, rýchlejšie spínanie a vyššia účinnosť, čo umožňuje efektívnejšiu prevádzku energetických systémov, zmenšuje veľkosť pasívnych komponentov pre systémy skladovania energie a podporuje celý rad aplikácií na konečné použitie, ako sú trakčné meniče pre elektrické vozidlá, ochrana obvodov a obnoviteľné zdroje energie.

Technológie so širokou pásmovou medzerou, ako je SiC, majú potenciál nahradiť tradičný kremík v určitých aplikáciách, hoci ich zvýšená spínacia frekvencia predstavuje určité jedinečné výzvy, ktoré je potrebné riešiť prostredníctvom pokročilých výrobných metód a presných testovacích nástrojov. V tomto blogovom príspevku sa budeme venovať kľúčovým aspektom pri výbere vysokorýchlostných výkonových polovodičov, ako aj niektorým osvedčeným postupom na ich efektívne využitie v návrhoch.

4. Nízky odpor pri zapnutí

Kremík sa v elektronike používa vo veľkej miere, ale pri aplikáciách s vysokým výkonom sa začínajú prejavovať jeho obmedzenia. Karbid kremíka oproti tomu ponúka oveľa širšie pásmo a pracuje pri vyšších teplotách - poskytuje vyšší výkon a rýchlosť, ako aj menšie požiadavky na pohon a zlepšuje návrh obvodov.

To je obzvlášť dôležité pre vysokofrekvenčné aplikácie, ako je mäkké spínanie LLC alebo TPPFC (korekcia účinníka v prechodovej fáze). Na zníženie zapínacieho odporu IGBT pri týchto frekvenciách sa často používajú zariadenia s menšinovým nosičom, avšak ich značné spínacie straty a produkcia tepla obmedzujú ich použitie pri vyšších frekvenciách. Naopak, zariadenia s väčšinovým nosičom (Schottkyho bariérové diódy a MOSFETy) v polovodičoch SiC umožňujú vyššie menovité napätia so zníženými odpormi pri zapnutí.

Polovodiče SiC sa vyznačujú vysokou prieraznou pevnosťou, ktorá umožňuje tenšie driftové vrstvy a následne nižší zapínací odpor v porovnaní s ich kovovými náprotivkami, čo poskytuje ideálne podmienky pre rýchle spínanie. V spojení s ich kratšími dĺžkami hradiel sú tak SiC MOSFETy vhodné na vysoké spínacie rýchlosti.

Čistý karbid kremíka je od prírody elektrický izolant, avšak pridaním prímesí (dopantov) alebo dopingových činidiel ho možno premeniť na elektronický polovodič. Výsledkom dopovania dusíkom a fosforom je polovodič typu n, zatiaľ čo dopovanie berýliom, bórom, hliníkom alebo gáliom môže vytvoriť polovodič typu p.

SiC MOSFETy spôsobili dramatický posun vo výkonovej elektronike. Vďaka vyššiemu blokovaciemu napätiu, rýchlejším časom spínania a nižšiemu zapínaciemu odporu ako ich kremíkové náprotivky vedú SiC MOSFETy k budúcim generáciám výkonových elektronických zariadení.

5. Nízky rozptyl energie

Výkonové komponenty na báze kremíka, ako sú bipolárne tranzistory s izolovaným hradlom (IGBT) a kremíkové superprechody, sú už dlho spoľahlivými zdrojmi energie, ale pri vyšších teplotách alebo spínacích frekvenciách sa začínajú prejavovať ich obmedzenia. Polovodiče so širokým pásmom, ako sú MOSFETy z karbidu kremíka, ponúkajú prelomové výkonnostné riešenia, ktoré môžu tieto obmedzenia prekonať.

Karbid kremíka (SiC) sa už dlho používa ako abrazívum na brúsne kotúče a keramiku, ale v poslednom čase sa SiC vo veľkej miere používa aj ako náhrada tradičných výkonových zariadení na báze kremíka v aplikáciách výkonnej elektroniky. Tento pozoruhodný posun je spôsobený výnimočnými fyzikálnymi a elektronickými vlastnosťami SiC, zliatiny zloženej z kremíka a uhlíka.

Ako je to bežné pri zložených polovodičoch, SiC vykazuje polytypizmus s rôznymi kryštálovými štruktúrami, ktoré vznikajú v závislosti od toho, ako sa mení jeho chemické zloženie v jednom rozmere. Polytyp 4H-SiC je široko preferovaný pre výkonové aplikácie vďaka svojej tesne zabalenej hexagonálnej atómovej štruktúre, ktorá uľahčuje rýchle časy spínania a schopnosť vysokého blokovacieho napätia.

Zariadenia z kremíka a SiC sa líšia vo výkone najmä šírkou pásmovej medzery, teda množstvom energie potrebnej na prechod z izolačného stavu do vodivého. Širšia pásmová medzera umožňuje rýchlejší a účinnejší prenos elektrickej energie, čo je výhoda užitočná najmä v aplikáciách s vysokým výkonom, ako sú trakčné meniče pre elektrické vozidlá.

Ďalšou kľúčovou výhodou SiC je nižší tepelný odpor ako u tradičných kremíkových zariadení, čo umožňuje zmenšiť indukčné a kapacitné komponenty, a tým znížiť celkové systémové straty (vrátane strát pri vedení a strát pri spínaní). V polomostovom meniči to môže viesť k vyššej účinnosti, ako aj k nižším nákladom na systém.