Transistor av kiselkarbid

Kiselkarbid håller på att revolutionera kraftelektroniken. Den håller långsamt på att ersätta traditionella kiseltransistorer samtidigt som den erbjuder betydande prestandaförbättringar.

På grund av materialets fysiska och elektroniska egenskaper kan ingenjörer känna sig tveksamma till att använda denna teknik. Tyvärr kan missuppfattningar hindra dem från att använda den fullt ut.

Kiselkarbid förekommer naturligt som ädelstenar av moissanit och syntetiskt framställda. Båda formerna kan ändras till att bete sig som halvledare genom dopning med element som aluminium, bor, gallium och kväve.

1. Hög genomslagsspänning

Kiselkarbid (SiC) är ett elektroniskt material som finns naturligt i mycket små mängder i meteoriter, korundavlagringar och kimberlitbergarter, medan det mesta SiC i elektroniska apparater kommer från syntetiska källor. SiC utgör ett ekonomiskt alternativ till traditionella kiselhalvledare när det gäller krävande ström-/spänningskrav i krävande applikationer som dessa.

SiC-transistorer har fått en plats bland experter på kraftelektronik tack vare sin imponerande höga genomslagsspänning. Tack vare att det kritiska elektriska fältet är 10 gånger större än för kisel kan SiC fungera med betydligt lägre driftlagerresistans per yta, vilket ger imponerande höga motståndsspänningar och extremt låga on-resistansvärden.

Hårdkopplande topologier som effektfaktorkorrigering med totempol och synkron boost är möjliga med IGBT:er, men deras högre tillslagsmotstånd leder till betydande värmeutveckling och kopplingsförluster med IGBT:er och bipolära transistorer, vilket leder till betydande värmeutveckling och kopplingsförluster.

SiC:s breda bandgap möjliggör mindre gateoxidlager, vilket leder till lägre parasitelement och därmed lägre on-resistans och förbättrad prestanda - en fördel som är särskilt fördelaktig i höghastighetsswitchapplikationer där höga frekvenser måste hanteras utan att skapa överdriven värme.

SiC är välkänt för sin överlägsna prestanda vid höga hastigheter, men dess värmeledningsförmåga är ännu bättre, mer än tre gånger högre än kislets. Detta gör att enheter tillverkade av SiC kan avleda stora mängder överskottsenergi även vid högre temperaturer utan att skada interna strukturer - något som kiselenheter inte kan göra på ett effektivt sätt, vilket leder till högre effekttäthet och minskade förluster.

2. Hög värmeledningsförmåga

Kiselkarbid, som i naturen ofta kallas moissanit, är en sammansättning av kisel och kol som finns naturligt som ett blåsvart mineral med halvledaregenskaper. Eftersom elektroniska enheter som transistorer alstrar värme under drift är material som snabbt kan avleda den viktiga komponenter.

Kiselkarbidens värmeledningsförmåga spelar en viktig roll när det gäller att avleda värme som produceras. En högre värmeledningsförmåga gör att halvledaranordningar kan svalna snabbare när de är avstängda.

Kiselkarbidens överlägsna värmeledningsförmåga kan förklaras av dess mycket högre gitterdefektdensitet jämfört med andra halvledare som galliumnitrid. Detta gör att mer värme kan komma ut från ytan på ett chip och sedan lätt kylas bort med hjälp av vatten- eller luftkylning.

Kiselkarbidens täta struktur och reducerade gittertöjning gör den överlägsen andra halvledarmaterial som kisel när det gäller prestandareducerande dislokationsbildning.

Forskare som studerar kiselkarbid har undersökt olika faktorer som påverkar dess värmeledningsförmåga för att bättre förstå varför detta material har så hög värmeledningsförmåga, t.ex. gitterinnehåll av syre/kväve, porositet, kornstorlek, fasomvandling och additivsammansättning. Genom att utvärdera dessa element individuellt och upptäcka samband mellan dem som förklarar varför specifika aspekter av materialet uppvisar hög värmeledningsförmåga - kunskap som sedan kan användas för att ytterligare förbättra det.

3. Hög omkopplingshastighet

Kiselkarbid, vanligen benämnt med det kemiska namnet SiC, är en kemisk förening som består av kisel och kol och som kan massproduceras. Den finns naturligt i mineralet moissanite och har halvledaregenskaper och används som slipmedel, keramiskt material och råmaterial i metallframställningsindustrin.

Transistorer av kiselkarbid har högre blockeringsspänning och lägre specifik on-resistans än traditionella IGBT:er av kisel, vilket möjliggör högre kopplingshastigheter än motsvarande transistorer av kisel och därmed ger ingenjörerna fler möjligheter till systemoptimering för att skapa mindre och lättare konstruktioner med bättre effektomvandlingseffektivitet - bland annat sådana som används som traktionsomriktare för elfordon.

Men även om effekthalvledare med brett bandgap, som SiC, kan ge många fördelar, har dessa enheter nackdelar. Ett viktigt problem med att använda sådana halvledare är deras oförmåga att klara höga temperaturer - detta leder till problem som ökad läckström i off state-applikationer och minskad tillförlitlighet.

Ingenjörerna har börjat använda avancerad teknik som arbetar med högre switchfrekvenser, vilket ger fördelar som lägre ledningsförluster, snabbare switchning och högre verkningsgrad - vilket gör att kraftsystemen kan arbeta mer effektivt, minska storleken på passiva komponenter för energilagringssystem och stödja en rad olika slutanvändarapplikationer, t.ex. omriktare för elfordon, kretsskydd och förnybar energi.

Tekniker med brett bandgap som SiC har potential att ersätta traditionellt kisel i vissa applikationer, men deras ökade switchfrekvens innebär en del unika utmaningar som måste hanteras med hjälp av avancerade tillverkningsmetoder och precisionstestverktyg. I det här blogginlägget går vi igenom vad som är viktigt att tänka på när man väljer krafthalvledare för höga hastigheter samt några bästa metoder för att använda dem effektivt i konstruktioner.

4. Lågt motstånd mot påslag

Kisel används ofta i elektronik, men när det används i högeffektsapplikationer börjar det visa sina begränsningar. Kiselkarbid, i jämförelse, erbjuder ett mycket bredare bandgap och fungerar vid högre temperaturer - vilket ger mer kraft och hastighet samt minskade drivkrav och förbättrad kretsdesign.

Detta är särskilt relevant för högfrekventa applikationer som soft-switching LLC eller TPPFC (transition phase power factor correction). Minority carrier-enheter används ofta för att minska IGBT:ernas påslagningsmotstånd vid dessa frekvenser, men deras betydande kopplingsförlust och värmeutveckling begränsar användningen vid högre frekvenser. Omvänt möjliggör majoritetsbärvågsenheter (Schottky-barriärdioder och MOSFETs) i SiC-halvledare högre märkspänningar med lägre påslagningsmotstånd.

SiC-halvledare har hög genomslagsstyrka, vilket möjliggör tunnare driftlager och därmed minskad on-resistans jämfört med deras motsvarigheter i metall, vilket ger idealiska förutsättningar för snabba kopplingshastigheter. I kombination med de kortare grindlängderna gör detta SiC MOSFET:er lämpliga för snabba växlingshastigheter.

Ren kiselkarbid är till sin natur en elektrisk isolator, men genom att tillsätta föroreningar (dopämnen) eller dopningsmedel kan den omvandlas till en elektronisk halvledare. Kväve- och fosfordopning resulterar i en halvledare av n-typ medan dopning med beryllium, bor, aluminium eller gallium kan skapa en halvledare av p-typ.

SiC MOSFETs har orsakat ett dramatiskt skifte inom kraftelektroniken. Med högre blockeringsspänning, snabbare kopplingstider och lägre on-resistans än sina motsvarigheter i kisel visar SiC MOSFETs vägen för framtida generationer av kraftelektroniska enheter.

5. Låg effektförlust

Kiselbaserade kraftkomponenter som bipolära transistorer med isolerad grind (IGBT) och kiselsuperjunkter har länge varit tillförlitliga kraftkällor, men när de utsätts för högre temperaturer eller switchfrekvenser börjar de visa sina begränsningar. Halvledare med brett bandgap, som MOSFETs av kiselkarbid, erbjuder banbrytande prestandalösningar som kan övervinna dessa begränsningar.

Kiselkarbid (SiC) har länge använts som slipmedel i slipskivor och keramik, men på senare tid har SiC också börjat användas i stor utsträckning för att ersätta traditionella kiselbaserade kraftaggregat i högeffektselektronik. Detta anmärkningsvärda skifte drivs på av SiC:s exceptionella fysiska och elektroniska egenskaper; en legering som består av kisel och kol.

Som är vanligt med sammansatta halvledare uppvisar SiC polytypism med olika kristallstrukturer som bildas beroende på hur dess kemiska sammansättning varierar i en dimension. 4H-SiC-polytypen är allmänt föredragen för kraftapplikationer på grund av sin tätt packade hexagonala atomstruktur som möjliggör snabba kopplingstider och hög blockeringsspänning.

Kisel- och SiC-enheter skiljer sig åt i prestanda till stor del på grund av deras bandgapsbredd, den mängd energi som krävs för att växla från ett isolerande tillstånd till ett ledande tillstånd. Ett bredare bandgap gör att mer elektrisk energi kan överföras snabbare och effektivare - en fördel som är särskilt användbar i högeffektsapplikationer som t.ex. traktionsomvandlare för elfordon.

SiC:s lägre värmemotstånd än traditionella kiselkomponenter är en annan viktig fördel som möjliggör mindre induktiva och kapacitiva komponenter och därmed lägre totala systemförluster (inklusive ledningsförluster och förluster i kopplingseffekt). I en halvbryggsväxelriktare kan detta leda till högre effektivitet och lägre systemkostnad.