Polprevodnik iz silicijevega karbida

Polprevodnik iz silicijevega karbida je nekonvencionalni polprevodnik s širokim pasovnim razmikom, ki ima v primerjavi s svojimi silicijevimi kolegi številne prednosti, vključno z višjimi delovnimi temperaturami, hitrejšimi preklopnimi frekvencami in manjšimi izgubami v napravah.SiC-jeve energetske komponente so zaradi manjših stroškov substrata, ki predstavljajo ogromen delež skupnih stroškov komponent, bistveno cenejše od svojih kolegov na osnovi silicija.

Visokotemperaturni

Silicijev karbid (SiC) je izjemno trd in ognjevzdržen polprevodniški material, ki lahko uspeva v težkih okoljih, kjer večina elektronike ne more delovati, vključno z visokimi temperaturami, ekstremnimi vibracijami, sovražnimi kemičnimi mediji in izpostavljenostjo sevanju. Senzorji in elektronika SiC, ki lahko vzdržijo te ekstremne pogoje, bi lahko korenito spremenili številne sisteme - od prenosa energije za električne avtomobile in javne službe do močnejših mikrovalov za radarje in komunikacijske aplikacije mobilnih telefonov.

Eden od načinov proizvodnje SiC je postopek Lely. Pri tem se prah SiC sublimira v visokotemperaturne vrste silicija, ogljika in silicijevega dikarbida, nato pa se pri 2500 stopinjah Celzija deponira v obliki kosmičem podobnih monokristalov, preden se nanesejo na podlago; tako se pridobijo visokokakovostni monokristali 6H-SiC velikosti do 2 cm2.

Obstaja več nizkotlačnih politipov SiC, vključno s 3C, 4H, 15R in 21R. Vsak politip je imel močne fononske načine s podobno strukturo. Raziskovalci so preučevali odvisnost njihovih absorpcijskih robov od tlaka; ena od raziskav z dušikom dopiranega 6H-SiC je pokazala, da ima njegova pasovna vrzel nespremenljivo negativno izpeljanko tlaka; ta ugotovitev je potrdila teoretične izračune.

Visokonapetostni

Visokonapetostne naprave, kot so polprevodniki, diode in IGBT, so ključne komponente za različne aplikacije, od krmiljenja motorjev, solarnih pretvornikov in polnilnikov baterij do motornega športa. Žal pa njihova velika površina zahteva veliko toplote, kar povzroča velike prevodne izgube. Uporaba naprav iz silicijevega karbida (SiC) lahko zmanjša preklopne izgube in hkrati poveča zanesljivost z višjimi blokirnimi napetostmi in manjšimi prevodnimi izgubami.

SiC se od silicija razlikuje po bistveno višji jakosti električnega polja, kar mu omogoča doseganje višjih delovnih temperatur brez izgube zmogljivosti. Zato je SiC odlična izbira za visokonapetostne napajalne naprave, kot so IGBT, SB-diode in MOSFET-i; poleg tega je zaradi trikrat širše pasovne vrzeli primernejši za ekstremne razmere kot silicij.

Več podjetij je razvilo MOSFET-e iz silicijevega karbida (WBG) s širokim razponom, namenjene posebej za avtomobilske in industrijske pretvornike, ki se ponašajo s prekinitvami pri 650 V in najnižjo upornostjo v stanju vklopa na površino, ki je na voljo pri vseh napravah v tem razredu. SiC MOSFET NTH4L015N065SC1 družbe ON Semiconductor ima notranji upor vrat, ki odpravlja zunanje upornosti v pogonskih vezjih za hitrejši čas preklopa.

Visoka frekvenca

Visokofrekvenčni polprevodniki iz silicijevega karbida so imeli leta 2021 znaten tržni delež in bodo v napovedanem obdobju predvidoma še naprej rasli zaradi široke pasovne vrzeli, ki pomaga zmanjšati izgubo energije in zanesljivost za aplikacije za hitre preklope. Silicijev karbid ima tudi številne aplikacije v okoljih železniškega prometa in električnih vozil, kjer njegove naprave pomagajo zmanjšati velikost in težo opreme za nižje obratovalne stroške in izboljšano učinkovitost - na primer izboljšanje zanesljivosti japonskih vlakov na progi Shinkansen z njihovo uporabo kot vlečnih pretvornikov.

Polprevodniške naprave iz silicijevega karbida so v zadnjih nekaj letih doživele ogromno rast zaradi povečanja prizadevanj za trajnost in elektrifikacijo, saj imajo v visokonapetostnih/frekvenčnih aplikacijah boljšo zmogljivost kot silicij in silicijev arzenid. Tudi galijev nitrid (GaN) je sestavni del polprevodniških naprav tretje generacije in ponuja več možnosti pri uporabi za visokonapetostne/frekvenčne aplikacije kot silicij.

Silicijev karbid (SiC) je zlitina, sestavljena iz silicija in ogljika. Ta kemijska spojina ima močne kovalentne vezi, podobne diamantom. SiC se proizvaja z združevanjem silicijevega dioksida in ogljika v električni peči pri visokih temperaturah; njegova pasovna vrzel je bila izmerjena pri 3,26 eV. Poleg tega lahko SiC deluje pri višjih temperaturah, napetostih in frekvencah kot silicij.

Visokozmogljiva

Silicijevi karbidni napajalni polprevodniki zagotavljajo visoko moč, hkrati pa pomagajo zmanjšati težo, velikost in stroške v elektronskih napravah. Zaradi temperaturne in napetostne tolerance so primerni za polnilne drogove, podatkovne centre in druge zahtevne aplikacije - zlasti tiste, ki vključujejo električna vozila (EV). Poleg tega so zaradi svojih hitrejših preklopnih zmogljivosti in manjše upornosti ON boljša izbira kot silicijeve naprave - kar je še posebej pomembno, če upoštevamo prihodnje aplikacije za železniški promet, pri katerih bo nosilnost obremenitev ključni dejavnik rasti.

Silicijev karbid, imenovan tudi moissanit, je bil prvič odkrit v meteoritih pred več kot 4,6 milijarde let. Danes ga v majhnih količinah izkopavajo na Zemlji za uporabo v dragih kamnih, vendar je večina proizvedena umetno; najpogosteje je dopiran z dušikovimi ali fosforjevimi dopanti za nakit iz dragih kamnov ter berilijevimi, borovimi ali aluminijevimi dopanti za izdelavo nakita. Silicijev karbid se lahko dopira tudi n-tip z dušikovimi in fosforjevimi dopanti, medtem ko njegova trda, brezbarvna površina omogoča dopiranje dopantov, ki omogočajo dopiranje obeh tipov n-tipa in p-tipa, odvisno od tega, ali se dopiranje izvaja naravno ali umetno proizvedeno - podobno kot bi bili videti diamantni dragulji. Silicijev karbid je mogoče izdelati tudi umetno kot nakit moissanit iz meteoritov izpred več kot 4,6 milijarde let! Nato se lahko uporabi v proizvodnji nakita. Od takrat je mogoče večino silicijevega karbida izdelati tudi umetno! Brezbarvna trda snov, ki jo je mogoče dopirati z dušikovim ali fosforjevim dopiranjem, hkrati pa je dopirana p-tip z berilijem, borom ali aluminijem, odvisno od želene uporabe! Silicijev karbid je bil prvič odkrit v meteoritih z Zemlje. pred 4,6 milijarde let! Pred 4,6 milijardami let! Pred 4,6 milijarde let...

SiC je inovativna spojina, sestavljena iz silicija (atomsko število 14) in ogljika (atomsko število 6), ki sta povezana z močnimi kovalentnimi vezmi in tvorita vplivno kemično spojino s heksagonalno strukturo in izjemno široko pasovno vrzeljo polprevodnika - trikrat širšo od tradicionalnega silicija! Ponaša se tudi z edinstvenimi električnimi lastnostmi, zaradi katerih je lahko zaželen za nekatere aplikacije.

Nizkotemperaturni

Silicijev karbid je industrijski material, ki lahko prenese visoke temperature in napetosti, zato je odličen material za energetske polprevodnike. Zaradi njegove vzdržljivosti in dolgotrajnega delovanja bo uporaba tanjših rezin povečala učinkovitost, njegova zanesljivost pa omogoča dolgotrajno delovanje in daljšo življenjsko dobo. Poleg tega se silicijev karbid ponaša z nizkimi stopnjami toplotnega raztezanja in je kemično inerten.

Trd in proti koroziji odporen silicijev karbid je odličen abrazivni material, ki se pogosto uporablja za rezanje ognjevarnih materialov, kot so ohlajeno železo, marmor in granit; brušenje električnega jekla; tiskanje karborunda (z uporabo suhega zrnatega silicijevega karbida za tiskanje slik); tehnike tiskanja karborunda in proizvodnja karborundnega papirja se prav tako pogosto izvajajo z uporabo abrazivnih plošč iz silicijevega karbida kot orodja; uporabljajo se tudi za proizvodnjo izdelkov iz abrazivnega papirja.

Naravni moissanit je v zelo majhnih količinah mogoče najti le v meteoritih, nahajališčih korunda in kimberlitu. Večina komercialno dostopnega moissanita se proizvaja sintetično z raztapljanjem ogljika v staljenem siliciju, tako da nastane alfa silicijev karbid, ki se združi z aluminijevim oksidom v karborund ali b-SiC, znan kot karborund. Ta stabilna spojina se ponaša z diamantno kubično strukturo s polzapolnjenimi tetraedri SiC, kar zagotavlja dobro prevodnost zaradi podobnega atomskega polmera kot pri drugih kristalih diamanta in lastnosti visoke temperature taljenja.

Nizkonapetostni

Polprevodniki iz silicijevega karbida so se zaradi svoje učinkovitosti, trajnosti in hladilnih lastnosti močno uveljavili v industriji močnostne elektronike. Veliko se uporabljajo v močnostnih pretvornikih, polnilnikih za električna vozila, solarnih pretvornikih, motornih pogonih in krmilnikih motorjev ter v okoljih z višjo temperaturo/napetostjo kot običajne silicijeve naprave - zlasti zaradi nižjih vklopnih upornosti in preklopnih izgub, primernih za aplikacije z visoko hitrostjo.

Napajalni polprevodniki bodo po pričakovanjih postali bistvena tehnologija v avtomobilskih aplikacijah zaradi svojih številnih prednosti v primerjavi s tradicionalnimi napravami. Imajo širšo pasovno širino, kar omogoča delovanje v širšem temperaturnem in napetostnem spektru, ter manjšo porabo energije in težo.

SiC lahko IGBT in bipolarne tranzistorje, ki imajo visoke prebojne napetosti in velike preklopne izgube, nadomesti s hitrejšimi preklopnimi napravami, ki imajo manjše vklopne upornosti, kar zmanjšuje izgubo energije in proizvodnjo toplote. Široka pasovna vrzel SiC omogoča tem napravam hitrejše preklapljanje, hkrati pa nudi manjše vklopno upornost, kar zmanjšuje nastajanje toplote in izgubo energije.

Silicijev karbid je amorfna naravna snov, ki jo najdemo v izjemno redkih oblikah, kot so mozaični dragulji. Silicijev karbid, ki se proizvaja z reakcijo silicijevega dioksida z ogljikom v električni peči pri visokih temperaturah, se lahko uporablja tudi v karborundnem tisku z uporabo aluminijaste plošče, ki je prekrita s karborundnim peskom za tiskarske tehnike, kot je karborundni tisk.

Nizkocenovni

Polprevodniške naprave iz silicijevega karbida so zaradi svoje kompaktnosti in odlične električne zmogljivosti, zanesljivosti, večje napetostne odpornosti in temperaturne tolerance v primerjavi s starejšimi napravami, enostavnosti rokovanja in namestitve ter majhnosti v tehnološkem sektorju pridobile vse več zanimanja, zaradi česar se je povpraševanje po njih močno povečalo.

Silicijev karbid (SiC) je neuničljiva kemična spojina s heksagonalno strukturo, ki je sestavljena iz silicija in ogljika, ki sta povezana z močnimi kovalentnimi vezmi v močne tetraedrične kovalentne vezi. SiC ima izjemno široko pasovno vrzel, ki elektronom omogoča prosto gibanje po hibridnih orbitalah sp3, zaradi česar je vsestranski material s številnimi uporabami in prednostmi.

Polprevodniki iz silicijevega karbida so doživeli eksplozivno rast zaradi vse večjega povpraševanja po električnih vozilih in infrastrukturi 5G, zlasti zaradi visoke kritične prebojne napetosti, manjšega vklopnega upora in večje gostote moči - ključnih dejavnikov za njihov fenomenalen vzpon.

Polprevodniki iz silicijevega karbida se ponašajo z odlično toplotno prevodnostjo in sposobnostjo prenašanja visokih temperatur, zaradi česar so odličen material za izdelavo energetskih polprevodniških naprav. Takšne naprave lahko najdemo v visokoenergijskih laserjih, sončnih celicah in fotodetektorjih, uporabljajo pa se tudi kot termistorji/varistorji v visokotemperaturnih pečeh.