Транзистор на карбіді кремнію

Силові пристрої з карбіду кремнію відіграють невід'ємну роль у підвищенні енергоефективності електромобілів завдяки своїм чудовим властивостям матеріалу.

Карбід кремнію в чистому вигляді поводиться як ізолятор, але при додаванні домішок (допантів) він може перетворитися на електронний напівпровідник. Допантами для такого використання є азот або фосфор для n-типу, тоді як легування алюмінієм, бором або галієм може перетворити його на напівпровідниковий матеріал p-типу.

Високовольтний пробій

Напівпровідникові прилади з карбіду кремнію все частіше розглядаються як підходяща заміна кремнієвим приладам у силовій електроніці, що працює при високих температурах або напругах, особливо там, де задіяні високі напруги або температури. Це пов'язано з надзвичайно високою пробивною напруженістю електричного поля, що означає, що вони можуть витримувати набагато більші струми, ніж кремнієві аналоги, і в 10 разів більшу напругу, ніж MOSFET, що ідеально підходить для високовольтних ланцюгів, які використовуються в електромобілях і супутниках.

ВНТ вирізняються більшою шириною забороненої зони, яка приблизно втричі перевищує кремнієву (1,1 еВ), що дозволяє електронам легше входити в зону провідності для проведення електрики і зменшує ймовірність виникнення струмів витоку через перехід - ключових атрибутів пристроїв, призначених для надійної роботи за високих температур.

Карбід кремнію має вищу пробивну напругу завдяки тоншому збідненому шару. Це дозволяє пропускати більше вільних носіїв, збільшуючи густину струму і дозволяючи використовувати менші транзистори, які потребують менше енергії; підвищуючи ефективність і знижуючи тепловиділення.

Одним з основних недоліків впровадження технології карбіду кремнію була її відносно висока вартість. Але дослідники розробили недорогу технологію виробництва силових вимикачів з карбіду кремнію, яка робить цей матеріал життєздатним для застосування у високовольтних пристроях.

Вони досягли цього завдяки застосуванню нової технології поєднання уніполярних і біполярних пристроїв в одній структурі - відомої як об'єднані діоди Шотткі або MPS-діоди - що дозволило їм порівняти характеристики між епітаксійними та імплантованими переходами; епітаксійні діоди виявилися більш стабільними завдяки вищому опору зворотного струму при високих температурах (RDS(ON)).

Карбід кремнію незабаром може отримати більш широке застосування в силовій електроніці, що принесе користь як економіці, так і навколишньому середовищу. Хоча SiC вже використовується в деяких сферах, таких як світлодіодні випромінювачі світла та детектори для ранніх радіоприймачів, його величезний потенціал означає, що незабаром його можна буде знайти всюди - від наземних електромобілів до інструментів на марсоходах, що досліджують Венеру, або зондів, призначених для виживання в умовах екстремальних температур.

Висока щільність струму

Карбід кремнію - надзвичайно твердий і щільний матеріал, який має кілька особливостей, що сприяють його успіху як елемента напівпровідникових пристроїв. Однією з таких властивостей є висока пробивна напруженість електричного поля, яка дозволяє пристроям, виготовленим з нього, витримувати набагато вищу густину струму, ніж це було б можливо для кремнієвих пристроїв, що робить можливим застосування високих потужностей і швидший час перемикання для більших навантажень. Крім того, його нижчий опір увімкнення призводить до зменшення втрат, що особливо важливо при проектуванні силових перетворювачів або подібних конструкцій.

Транзистори з карбіду кремнію мають високу пробивну напругу, що дозволяє їм функціонувати при вищих температурах, ніж інші напівпровідники, що робить їх дуже корисними у високотемпературних пристроях, таких як джерела живлення для електромобілів або обладнання, що використовується на космічних місіях. Завдяки зменшенню тепловиділення в цих пристроях можна підвищити їхню ефективність та надійність.

Карбід кремнію давно визнаний напівпровідниковим матеріалом, який може проводити електрику, якщо його легувати певними домішками, проте пристрої комерційної якості, виготовлені з цього матеріалу, були реалізовані лише нещодавно через те, що його кристалічність формується в більш ніж 150 політипів, що робить вирощування, придатне для виготовлення електронних пристроїв, більш складним, ніж передбачалося раніше.

Для створення цих нових силових напівпровідників було застосовано унікальну технологію обробки. Це було досягнуто за допомогою пучків іонів вуглецю з подальшим термічним окисленням або обома процесами в тандемі для зменшення щільності дефектів на вуглецевих вакансіях.

Пристрої на основі SiC зазвичай мають структуру уніполярного транзистора з металевим анодом або p+n діодом, встановленим на верхньому шарі, і n-шаром (область блокування напруги), з'єднаним з підкладкою з низьким опором, який пропускає струм при позитивному зсуві, але блокує весь струм при негативному зсуві. Така схема дозволяє струму проходити при позитивному зсуві, але повністю запобігає його проходженню при негативному зсуві.

Низький вхідний опір

Карбід кремнію (SiC) добре відомий як абразивний матеріал і компонент, що використовується в кераміці бронежилетів, але його напівпровідникові властивості також роблять його потенційною заміною пристроїв на основі кремнію в силовій електроніці. Пристрої з SiC мають високу блокувальну напругу, швидкий час перемикання і низький опір увімкнення, що допомагає зменшити втрати при застосуванні в таких пристроях, як тягові інвертори електромобілів і бортові зарядні пристрої.

Електричні характеристики карбіду кремнію вже давно визнані як такі, що перевершують характеристики традиційних кремнієвих напівпровідників. Зокрема, цей широкозонний матеріал має надзвичайно високу температуру плавлення, низьку діелектричну проникність і надзвичайно високу напруженість поля пробою, а також високі значення швидкості дрейфу електронів у насиченому стані та теплопровідності - все це робить його чудовим кандидатом для використання у виробництві електронних напівпровідникових пристроїв.

Однак до недавнього часу прилади комерційної якості, виготовлені з карбіду кремнію, залишалися недосяжною метою через його величезну політипову різноманітність; створення великих монокристалів і тонких плівок, необхідних для виготовлення МДН-транзисторів, виявилося надзвичайно складним завданням.

Cree та інші компанії змогли досягти прориву в технології карбіду кремнію завдяки впровадженню інжекції затвору. Цей процес дозволяє керувати пристроями з меншим струмом затвора, тим самим зменшуючи температурну залежність їхнього опору в стані спокою та підвищуючи продуктивність.

Таким чином, MOSFET можна безпечно експлуатувати на більш високих робочих напругах без збільшення опору в стані або паразитних ефектів, таких як витік оксиду затвора, що забезпечує значні переваги над звичайними IGBT і біполярними транзисторами, які потребують зниження напруги при перевищенні номінальних значень.

UnitedSiC приєдналася до сім'ї компаній Qorvo в листопаді 2021 року, пропонуючи транзистори з карбіду кремнію з низьким питомим опором 750 В/6 мОм, які забезпечують підвищення ефективності, що є життєво важливим для потужних застосувань, таких як тягові інвертори електромобілів (EV), промислове перетворення енергії та системи відновлюваної енергетики. Ці FET дозволяють розробникам зменшити розмір, вагу та складність системи, одночасно підвищуючи щільність потужності та надійність - ключові характеристики, що мають вирішальне значення для проектування.

Широкий діапазон

Кремній є одним з найпоширеніших напівпровідників для електронних пристроїв. Але оскільки його обмеженість у високопотужних пристроях наближається до межі, два складних напівпровідникових прилади пропонують рішення: силові транзистори на основі нітриду галію (GaN) і карбіду кремнію (SiC) - кожен з них має унікальні переваги, які роблять їх чудовими альтернативами стандартним IGBT і Si MOSFET в схемах перетворення енергії.

Складні напівпровідники мають широку заборонену зону, що дозволяє їм працювати при набагато вищих температурах, ніж їхні аналоги на основі кремнію. "Широка" означає енергетичну щілину між їх валентною зоною і зоною провідності, яка приблизно втричі ширша, ніж у кремнію (1,12 еВ), що дозволяє пристроям з такою широкою забороненою зоною працювати з вищими напругами і струмами без проблем з термоактиваційними завадами.

GaN і SiC можуть працювати на вищих частотах перемикання, що, в свою чергу, дозволяє зменшити втрати потужності і підвищити ефективність електронних схем. GaN і SiC також мають вдесятеро вищий рівень стійкості до напруги, ніж кремній, що робить їх добре придатними для таких застосувань, як швидкі однополярні перемикачі.

Ці напівпровідники мають більшу ширину забороненої зони, що дозволяє виготовляти тонші пластини, ніж у традиційних кремнієвих приладів, що призводить до зниження опору в стані спокою і збільшення критичного поля пробою цих приладів. Крім того, це більше критичне поле дозволяє пристроям з однаковим номіналом напруги з меншими пристроями досягати заданого номіналу напруги більш економічно ефективно і зменшити розмір перетворювачів енергії в цілому.

Зі збільшенням попиту на електромобілі зростає і потреба в надійних системах силової електроніки, здатних обробляти і перетворювати електричну енергію в корисну потужність. Хоча напівпровідники на основі кремнію мають свої обмеження при використанні в якості компонентів схем перетворення енергії, нові розробки розширили можливості використання широкозонних напівпровідників.

Ці нові технології роблять системи перетворення енергії значно меншими та ефективнішими, ніж будь-коли раніше. Нещодавно компанія Cree представила перший в галузі силовий модуль з шістьма SiC MOSFET, упакований в стандартний 45-міліметровий корпус, що зменшує втрати потужності на 75%, одночасно збільшуючи щільність потужності на 50% і знижуючи загальну вартість системи на 70%.