Halvledare av kiselkarbid

Halvledare av kiselkarbid är en okonventionell halvledare med brett bandgap som har många inneboende fördelar jämfört med sina motsvarigheter av kisel, inklusive högre driftstemperaturer, snabbare switchfrekvenser och minskade enhetsförluster.SiC-kraftkomponenter erbjuder betydligt lägre kostnader än sina kiselbaserade motsvarigheter, tack vare en minskning av substratkostnaderna som utgör en enorm andel av de totala komponentkostnaderna.

Hög temperatur

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt hårt och eldfast halvledarmaterial som klarar tuffa miljöer där den mesta elektroniken inte fungerar, t.ex. höga temperaturer, extrema vibrationer, fientliga kemiska miljöer och strålningsexponering. Sensorer och elektronik i SiC som klarar dessa extrema förhållanden skulle kunna revolutionera många system - från kraftöverföring för elbilar och allmännyttiga verk till kraftfullare mikrovågor för radar- och mobiltelefonkommunikationsapplikationer.

En metod för att framställa SiC är Lely-processen. Här sublimeras SiC-pulver till högtemperaturarter av kisel, kol och kiseldikarbid och deponeras sedan som flingliknande enkristaller vid 2500 grader innan de deponeras på substrat; detta resulterar i högkvalitativ enkristall 6H-SiC upp till 2 cm2 storlek.

Det har funnits flera lågtryckspolytyper av SiC, inklusive 3C, 4H, 15R och 21R. Varje polytyp uppvisade starka fononlägen med liknande strukturer. Forskare studerade deras tryckberoende av absorptionskanter; en undersökning av kvävedopad 6H-SiC avslöjade att dess bandgap hade en oföränderlig negativ tryckderivat; detta resultat bekräftade teoretiska beräkningar.

Högspänning

Högspänningsenheter som halvledare, dioder och IGBT:er är kritiska komponenter för tillämpningar som sträcker sig från motorstyrning, solcellsväxelriktare och batteriladdare till motorsport. Tyvärr kräver dock deras stora fotavtryck en betydande värmeavgivning, vilket leder till betydande ledningsförluster. Genom att använda kiselkarbidkomponenter (SiC) kan man minska kopplingsförlusterna och samtidigt öka tillförlitligheten med högre blockeringsspänningar och minskade ledningsförluster.

SiC skiljer sig från kisel genom en betydligt högre elektrisk fältstyrka vid genombrott, vilket gör att det kan uppnå högre driftstemperaturer utan att förlora prestanda. Detta gör SiC till ett utmärkt val för högspänningsenheter som IGBT:er, SB-dioder och MOSFET:er; dessutom gör det tre gånger bredare bandgapet det mer lämpligt för extrema förhållanden än kisel.

Flera företag har utvecklat MOSFET:er med brett bandgap i kiselkarbid (WBG) som är speciellt avsedda för omriktare i fordonsindustrin och industrin, med brytpunkter på 650 V och några av de lägsta on-state-motstånden per area som finns på någon enhet i sin klass. ON Semiconductors SiC MOSFET NTH4L015N065SC1 har ett internt gatemotstånd som eliminerar externa motstånd i drivkretsar för snabbare switchtider.

Högfrekvent

Högfrekventa halvledare av kiselkarbid hade en betydande marknadsandel 2021 och förväntas uppleva fortsatt tillväxt under prognosperioden, på grund av dess breda bandgap som bidrar till att minska effektförlusten och tillförlitligheten för höghastighetsväxlingsapplikationer. Kiselkarbid har också många tillämpningar inom järnvägstransporter och elfordonsmiljöer där dess enheter bidrar till att minska utrustningens storlek och vikt för lägre driftskostnader och förbättrad effektivitet - till exempel genom att förbättra tillförlitligheten för Japans Shinkansen-tåg genom att de används som traktionsomvandlare.

Halvledarkomponenter av kiselkarbid har haft en enorm tillväxt under de senaste åren på grund av en ökad satsning på hållbarhet och elektrifiering och erbjuder överlägsen prestanda jämfört med kisel och kiselarsenid i högspännings-/frekvensapplikationer. Galliumnitrid (GaN) är också en viktig del av tredje generationens halvledarkomponenter och erbjuder fler alternativ än kisel när det gäller högspännings-/frekvensapplikationer.

Kiselkarbid (SiC) är en legering som består av kisel och kol. Denna kemiska förening har starka kovalenta bindningar som liknar diamanter. SiC framställs genom att kiseldioxid kombineras med kol i en elektrisk ugn vid höga temperaturer; dess bandgap har uppmätts till 3,26 eV. Dessutom kan SiC fungera under högre temperaturer, spänningar och frekvenser än kisel.

Hög effekt

Effekthalvledare av kiselkarbid ger hög effekt samtidigt som de bidrar till att minska vikt, storlek och kostnad i elektroniska enheter. Deras temperatur- och spänningstolerans gör dem lämpliga för laddstolpar, datacenter och andra krävande applikationer - särskilt sådana som involverar elfordon (EV). Dessutom gör deras snabbare omkopplingsförmåga och minskade ON-motstånd dem till bättre val än kiselkomponenter - något som är särskilt viktigt när man tänker på framtida applikationer för järnvägstransporter där lastkapacitet kommer att vara en viktig drivkraft för tillväxt.

Kiselkarbid, även kallad moissanit, upptäcktes först i meteoriter för över 4,6 miljarder år sedan. Idag bryts den från jorden i små mängder för att användas som ädelstenar, men det mesta produceras artificiellt; oftast dopad med kväve- eller fosfordopningsmedel för ädelstenssmycken och beryllium-, bor- eller aluminiumdopningsmedel för juvelproduktion. Kiselkarbid kan också dopas n-typ med kväve- och fosfordopningsmedel medan dess hårda, färglösa yta tillåter dopning av dopningsmedel som tillåter dopning av både typer av n-typ och p-typ dopningar beroende på om dopningen sker naturligt eller artificiellt producerad - ungefär som diamantsmycken skulle se ut. Kiselkarbid kan också produceras artificiellt som moissanitjuveler från meteoriter från över 4,6 miljarder år sedan! Den kan sedan användas i juvelproduktion. De flesta kiselkarbider kan också produceras artificiellt sedan dess! Färglös hård substans som kan dopas antingen med kväve- eller fosfordopning samtidigt som den dopas p-typ med beryllium, bor eller aluminium beroende på önskad applikation! Kiselkarbid upptäcktes först i meteoriter från jorden så långt tillbaka som. 4,6 miljarder år sedan! 4,6 miljarder år sedan! 4,6 miljarder år sedan...

SiC är en innovativ förening som består av kisel (atomnummer 14) och kol (atomnummer 6), bundna av starka kovalenta bindningar för att bilda en effektfull kemisk förening med hexagonal struktur med en extremt bred bandgaphalvledaregenskap - tre gånger bredare än traditionellt kisel! Den har också unika elektriska egenskaper som kan göra den önskvärd för vissa tillämpningar.

Låg temperatur

Kiselkarbid är ett industriellt material som klarar höga temperaturer och spänningar, vilket gör det till det perfekta materialvalet för krafthalvledare. Tack vare sin hållbarhet och långsiktiga drift leder användning av tunnare wafers till ökad effektivitet, medan dess tillförlitlighet möjliggör långsiktig drift och längre livslängd. Dessutom har kiselkarbid låga termiska expansionshastigheter och är kemiskt inert.

Hård och korrosionsbeständig kiselkarbid är ett utmärkt slipmaterial och används i stor utsträckning vid skärning av eldfasta material som kylt järn, marmor och granit; slipning av elektriskt stål; karborundumtryck (med torr granulerad kiselkarbid för att trycka bilder); karborundumtryckstekniker och karborundumpapperstillverkning är också vanligt förekommande med slipskivor av kiselkarbid som verktyg; samt används för tillverkning av slipande pappersprodukter.

Naturlig moissanit finns endast i mycket små mängder i meteoriter, korundfyndigheter och kimberlit. De flesta kommersiellt tillgängliga moissaniter framställs syntetiskt genom att kol löses i smält kisel för att bilda alfa-kiselkarbid som kombineras med aluminiumoxid för att bilda karborundum eller b-SiC, känd som karborundum. Denna stabila förening har den kubiska diamantstrukturen med SiC-tetraederer som är halvfyllda, vilket ger god ledningsförmåga tack vare att den har liknande atomradie som andra diamantkristaller samt har egenskaper med hög smältpunkt.

Lågspänning

Halvledare av kiselkarbid har fått stor acceptans inom kraftelektronikindustrin tack vare sin effektivitet, hållbarhet och kylningsegenskaper. De används i stor utsträckning i kraftomvandlare, laddare för elbilar, solcellsväxelriktare, motorstyrningar och motorstyrenheter samt i miljöer med högre temperatur/spänning än konventionella kiselkomponenter - framför allt tack vare lägre tillslagsmotstånd och switchförluster som lämpar sig för höghastighetsapplikationer.

Effekthalvledare förväntas bli en viktig teknik i fordonsapplikationer tack vare sina många fördelar jämfört med traditionella komponenter. De har bredare bandgap, vilket möjliggör drift över ett bredare temperatur- och spänningsspektrum, samt minskad energiförbrukning och vikt.

SiC kan ersätta IGBT och bipolära transistorer som har höga genomslagsspänningar och höga switchförluster med snabbare switchande enheter som har reducerade on-resistanser vilket resulterar i mindre effektförlust och värmeutveckling. SiC:s breda bandgap gör att dessa enheter kan växla snabbare samtidigt som de erbjuder mindre on-motstånd för minskad värmeutveckling och effektförlust.

Kiselkarbid är ett amorft naturmaterial som förekommer i extremt sällsynta former, t.ex. i moissanitjuveler. Kiselkarbid framställs genom att kiseldioxid reagerar med kol i en elektrisk ugn vid höga temperaturer och kan också användas i karborundumtryck där man använder en aluminiumplatta täckt av karborundumkorn för trycktekniker som karborundumtryck.

Låg kostnad

Halvledarkomponenter av kiselkarbid har fått ett allt större intresse inom tekniksektorn på grund av sin kompakta karaktär och överlägsna elektriska prestanda, tillförlitlighet, högre spänningsbeständighet och temperaturtolerans än äldre komponenter, enkla hantering och installation samt ringa storlek, vilket har lett till en dramatisk ökning av efterfrågan.

Kiselkarbid (SiC) är en oförstörbar kemisk förening med hexagonal struktur som består av kisel och kol bundna med starka kovalenta bindningar för att bilda starka tetraedriska kovalenta bindningar. SiC har ett exceptionellt brett bandgap som gör att elektronerna fritt kan röra sig i dess sp3-hybridorbitaler - vilket gör det till ett mångsidigt material med många användningsområden och fördelar.

Halvledare av kiselkarbid har upplevt en explosiv tillväxt på grund av den ökande efterfrågan från elfordon och 5G-infrastruktur, särskilt på grund av hög kritisk genombrottsspänning, lägre påslagsmotstånd och ökad effekttäthet - viktiga drivkrafter bakom deras fenomenala ökning.

Halvledare av kiselkarbid har överlägsen värmeledningsförmåga och förmåga att motstå höga temperaturer, vilket gör dem till det perfekta materialet för tillverkning av krafthalvledarkomponenter. Sådana enheter finns i högenergilasrar, solceller och fotodetektorer samt används som termistorer/varistorer i högtemperaturugnar.