Transistor de carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico inerte con propiedades similares a las de los semiconductores; con impurezas cuidadosamente elegidas, el SiC puede convertirse para comportarse como uno de ellos más fácilmente que el silicio tradicional. La amplia banda de separación del SiC le permite transportar energía eléctrica con mayor eficacia que su homólogo de silicio.

Los transistores de SiC ofrecen ventajas significativas sobre los IGBT y los MOSFET de silicio, como tensiones de bloqueo más altas, menor resistencia en estado encendido y mejor comportamiento térmico que sus homólogos, lo que hace posibles soluciones de convertidores de potencia antes imposibles o poco prácticas.

Alta tensión de ruptura

El carburo de silicio (SiC), con su superior intensidad de campo eléctrico, permite que los dispositivos semiconductores de potencia suministren voltajes mucho más altos que sus homólogos basados en silicio. Esto presenta múltiples ventajas que hacen del SiC una opción atractiva para los dispositivos de potencia de próxima generación.

Una de las principales ventajas de los componentes electrónicos de potencia fabricados con nanohilos de silicio es su mayor tolerancia a los picos transitorios de tensión, o estrés, sin experimentar un comportamiento de conducción impredecible y un fallo potencialmente catastrófico. Esto permite que estos componentes electrónicos de potencia tengan una clasificación mucho más alta que sus homólogos de silicio, como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y los dispositivos MOSFET de potencia estándar.

El SiC es conocido por crear dispositivos con una resistencia a la conexión mucho menor que sus homólogos de silicio, debido a su alta tensión de bloqueo. Esto se consigue aprovechando los dispositivos unipolares de conmutación rápida en lugar de los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) convencionales para lograr una frecuencia de conmutación y una disipación de potencia más rápidas, lo que se traduce en un mayor ahorro de energía para los usuarios finales.

Los MOSFET de SiC también facilitan esta hazaña gracias a su alta densidad de corriente, que puede aumentarse mediante el uso de capas de terminación dañadas que mejoran el contorno de la capa de agotamiento y disminuyen los campos eléctricos dentro de sus dispositivos. Además, una región de canal dopada de tipo n que se extiende desde la región fuente hasta la inserción de canal facilita también una baja resistencia a la conexión en sus dispositivos.

Los dispositivos de potencia de SiC presentan capas de deriva muy finas, que contribuyen a reducir aún más la resistencia de encendido por unidad de superficie. Los componentes de resistencia de la resistencia total de encendido vienen determinados por la concentración de dopaje y el grosor de la capa de deriva, por lo que la disminución de cualquiera de ellos puede reducir significativamente la resistencia total de encendido de los dispositivos. El SiC es un material ideal para crear nuevas generaciones de dispositivos de potencia que ofrezcan un voltaje, una corriente y una eficiencia energética sin precedentes, como los diodos Schottky, los diodos PiN y los IGBT/MOSFET híbridos, que proporcionan un voltaje, una corriente y una eficiencia energética impresionantes en aplicaciones en las que es necesario un funcionamiento a alta tensión/alta temperatura. Esto convierte al SiC en un material inestimable cuando se utiliza en aplicaciones de semiconductores de potencia que requieren un funcionamiento en condiciones de alta tensión/temperatura.

Baja resistencia a la conexión

El carburo de silicio es bien conocido por su dureza y su uso como abrasivo en la fabricación de herramientas industriales como discos de freno para vehículos, lubricantes de automoción y recambios de diamante, pero recientemente también se ha convertido en un innovador material semiconductor con propiedades que podrían desbloquear nuevos niveles de rendimiento en diversos diseños de circuitos electrónicos. Una de estas propiedades es su capacidad para soportar tensiones extremadamente altas, lo que lo hace idóneo para aplicaciones de electrónica de potencia.

La intensidad crítica del campo eléctrico de ruptura del SiC es aproximadamente 10 veces superior a la de la tecnología tradicional de silicio, lo que permite fabricar MOSFET de SiC con tensiones de funcionamiento de hasta 1,5 kV, muy superiores a las que se alcanzan con los IGBT o transistores bipolares convencionales.

Un atributo clave del carburo de silicio que permite que los dispositivos fabricados con él soporten tensiones más altas es su resistencia a la conexión, significativamente menor que la del silicio. Esto permite conmutar y desconectar a niveles de corriente más bajos, disipando menos calor y mejorando la eficiencia.

Los transistores de carburo de silicio presentan una baja resistencia a la conexión porque su material presenta una conductividad térmica extremadamente alta, lo que le permite disipar el calor de forma más eficaz que el silicio y, por tanto, posibilita aplicaciones de alta tensión sin preocuparse por daños térmicos que comprometerían su utilidad.

Los MOSFET de SiC destacan como dispositivos superiores por su mayor velocidad de conmutación y sus menores pérdidas a nivel de sistema, lo que contribuye a aumentar la eficiencia de conversión de energía a frecuencias más altas.

El carburo de silicio ha revolucionado la electrónica de potencia con su combinación de ventajas, proporcionando dispositivos capaces de aumentar la eficiencia energética y la densidad de potencia para el control de motores, convertidores y fuentes de alimentación. Wolfspeed ofrece MOSFET de carburo de silicio de 1000 V optimizados específicamente para aplicaciones de conmutación rápida que los hacen idóneos para vehículos eléctricos (VE), fuentes de alimentación industriales, sistemas de energía solar y aplicaciones de energías renovables.

Funcionamiento a alta temperatura

Las aplicaciones de electrónica de potencia suelen depender de los transistores de carburo de silicio por su capacidad de funcionamiento a altas temperaturas para obtener la máxima eficiencia del sistema, ya que esto permite a los diseñadores hacer funcionar los dispositivos a temperaturas, tensiones y frecuencias que de otro modo serían imposibles con los semiconductores tradicionales basados en silicio. Como resultado, el carburo de silicio permite diseños con menor pérdida de energía, mayores frecuencias de conmutación, menor disipación de potencia total y mayor eficiencia del sistema que nunca.

El SiC ofrece unas propiedades excepcionales que le permiten desempeñar esta función, combinando una alta capacidad de tensión de bloqueo con una baja resistencia al encendido en un dispositivo unipolar, lo que lo hace adecuado para soluciones que requieren tiempos de conmutación rápidos en entornos de alta potencia. Alcanzar este rendimiento en un semiconductor unipolar significa también eliminar por completo los IGBT o los transistores bipolares, lo que ofrece considerables ventajas a los diseñadores de aplicaciones de todo el mundo.

La amplia banda prohibida del carburo de silicio permite que los componentes funcionen con mayor eficacia a temperaturas más elevadas. En comparación con el silicio convencional, que suele tener una banda prohibida de 1,12 eV, el carburo de silicio tiene valores tres veces superiores, de unos 3,26 eV, lo que significa que los dispositivos de carburo de silicio pueden manejar niveles de potencia diez veces superiores, niveles de tensión dobles y frecuencias cuatro veces superiores a los de sus homólogos basados en silicio.

El funcionamiento a altas temperaturas del carburo de silicio lo hace idóneo para las aplicaciones industriales y de transporte más exigentes, donde la fiabilidad de los equipos eléctricos es de suma importancia. La investigación sobre circuitos lógicos integrados resistentes al calor fabricados con carburo de silicio podría permitir que los sensores de motores a reacción, pozos petrolíferos, misiones en el espacio profundo y otros entornos procesen datos con mayor rapidez y fiabilidad que los dispositivos tradicionales, sin largos cables que puedan romperse ni complejos mecanismos de refrigeración.

Producir chips de carburo de silicio de alta calidad es un reto debido a su cristalización en múltiples poliotipos. Producir grandes obleas monocristalinas para dispositivos de potencia basados en SiC requiere un esfuerzo considerable, pero puede lograrse mediante procesos avanzados de crecimiento por deposición de capas atómicas (ALD).

Un factor esencial en el rendimiento satisfactorio de los dispositivos de carburo de silicio de alta temperatura reside en el control tanto de su concentración como de la distribución de impurezas, que afectan a sus características electrotérmicas, así como a la capacidad de tensión de ruptura. EAG Laboratories posee un profundo conocimiento de los materiales de carburo de silicio, con experiencia en la realización de técnicas analíticas tanto masivas como espacialmente resueltas para verificar la concentración/distribución adecuada de dopantes con el fin de lograr el máximo rendimiento de los dispositivos.

Bajas pérdidas de conmutación

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor emergente de banda prohibida ancha que se está considerando como alternativa a los dispositivos de silicio para aplicaciones de electrónica de potencia, sobre todo convertidores de potencia e instrumentos utilizados por vehículos eléctricos o sondas de exploración espacial (Mantooth, Zetterling y Rusu). La amplia banda prohibida del SiC le permite competir con el silicio tradicional en muchos aspectos, al tiempo que ofrece ventajas específicas sobre su rival más barato. El silicio suele ser el material semiconductor preferido en la electrónica de potencia; sin embargo, el SiC ofrece varias ventajas que justifican su mayor coste en aplicaciones exigentes como los convertidores de potencia de los vehículos eléctricos terrestres o los equipos de exploración espacial (Mantooth, Zetterling y Rusu).

Los dispositivos de carburo de silicio superaron a sus homólogos de silicio al funcionar a temperaturas más elevadas, tener mayor capacidad de tensión de bloqueo y ofrecer menores pérdidas de conmutación. Además, su capacidad de alta frecuencia permitía frecuencias de conmutación más rápidas que, en última instancia, reducían el tamaño y peso de los componentes y sistemas y mejoraban la densidad de potencia. Las bajas pérdidas de conmutación de los transistores de SiC permiten incorporarlos sin problemas a los diseños existentes sin necesidad de grandes rediseños, lo que acelera los plazos de desarrollo y ayuda a reducir considerablemente los costes de las listas de materiales.

Las pérdidas de conmutación se deben a las caídas de tensión y los tiempos de recuperación en los diodos MOSFET cuando los dispositivos de conversión de potencia se encienden o apagan, lo que supone un importante desperdicio de energía. Los dispositivos de SiC ofrecen pérdidas de conmutación significativamente reducidas y una mayor eficiencia en comparación con sus homólogos de silicio para su uso en nuevos diseños de conversión de potencia.

Los MOSFET de SiC en modo de mejora de canal N están diseñados y procesados de forma similar a sus homólogos de silicio, con un rendimiento similar para muchas aplicaciones de conversión de potencia. Se adaptan fácilmente a las topologías de convertidores CA/CC convencionales y se combinan bien con diodos de SiC para aumentar la fiabilidad y reducir las pérdidas generales del sistema.

El enfoque de UnitedSiC para la optimización del rendimiento incluye la optimización de la estructura del dispositivo, los parásitos y la resistencia de activación y desactivación de la puerta con el fin de ofrecer una solución eficaz que sea compatible con los flujos de diseño existentes. Mediante el empleo de pequeños amortiguadores de dispositivo y la optimización de las resistencias de activación y desactivación de la puerta, han podido lograr un mejor control de dV/dt, sobreimpulsos y anillos que el que se podría conseguir simplemente aumentando la resistencia de la puerta.