Semiconductor de carburo de silicio

Los semiconductores de carburo de silicio han irrumpido con fuerza en la electrónica de potencia. Gracias a sus excepcionales propiedades físicas y electrónicas, que les permiten soportar tensiones y temperaturas más elevadas que los dispositivos de silicio, los semiconductores de carburo de silicio están sustituyendo rápidamente a los dispositivos tradicionales de silicio como recambio esencial.

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Dispositivos electrónicos de alta potencia

Los dispositivos semiconductores de carburo de silicio se han convertido rápidamente en la opción preferida para los sistemas electrónicos de alta potencia. Sus ventajas para los diseñadores y fabricantes de sistemas son numerosas, como una mayor tensión de ruptura, menor resistencia térmica y velocidades de conmutación más rápidas, lo que se traduce en factores de forma más pequeños con mayor eficiencia energética, elementos clave en las aplicaciones de electrónica de potencia. Además, el uso de dispositivos de SiC puede reducir significativamente el peso del sistema, al tiempo que elimina los sistemas de refrigeración que consumen espacio y los costes de consumo de energía son significativamente menores que los de sus alternativas.

El carburo de silicio (SiC), compuesto de átomos de silicio y carbono dispuestos hexagonalmente, es un compuesto químico extremadamente resistente que, gracias a su estructura hexagonal, puede soportar campos eléctricos más altos que el silicio por sí solo; de hecho, puede soportar hasta 10 veces más electricidad antes de romperse debido a su brecha de banda más ancha, que permite a los electrones viajar más libremente de su banda de valencia a la banda de conducción.

Los semiconductores de carburo de silicio presentan una amplia brecha de banda que les permite conmutar diez veces más rápido que los transistores de silicio tradicionales, lo que permite reducir los circuitos de control y la pérdida de energía durante el funcionamiento del dispositivo. Su menor resistencia al encendido también permite el funcionamiento a temperaturas más elevadas, al tiempo que mejora la fiabilidad y la eficiencia energética, ventajas que impulsan el crecimiento de los mercados de semiconductores de carburo de silicio en todo el mundo.

Eficiencia energética

Los dispositivos semiconductores de carburo de silicio son cada vez más eficientes desde el punto de vista energético, lo que les permite funcionar a mayor velocidad con menor producción de calor, reduciendo así la factura total de materiales (BOM). Esto permite a los centros de datos ahorrar dinero al tiempo que reducen el consumo de energía, lo que impulsa el espectacular aumento de la demanda de dispositivos de SiC.

El carburo de silicio presenta un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, bajas pérdidas de conmutación y una separación de banda indirecta, cualidades que lo convierten en el material ideal para interruptores electrónicos de alta velocidad. Además, la durabilidad del carburo de silicio le permite soportar tensiones y corrientes elevadas sin sufrir desgaste por uso. Además, su naturaleza compacta lo hace idóneo para aplicaciones de electrónica de potencia como los inversores de vehículos eléctricos (VE).

Estas ventajas permiten sustituir los IGBT utilizados en los vehículos eléctricos (VE) por dispositivos más pequeños y eficientes energéticamente, capaces de soportar temperaturas de funcionamiento más elevadas, lo que revoluciona la experiencia de conducción al tiempo que reduce las emisiones de CO2. Esta revolucionaria tecnología está cambiando la forma de conducir coches eléctricos y reduciendo las emisiones.

EAG Laboratories cuenta con una amplia experiencia en el análisis de semiconductores de carburo de silicio mediante técnicas analíticas tanto a granel como espacialmente resueltas para analizar su calidad, lo que incluye dopantes como nitrógeno, fósforo, aluminio, galio y análisis de concentración y distribución espacial de dopantes de berilio para garantizar que nuestros clientes reciban únicamente productos de primera línea que contengan un mínimo de contaminantes que puedan comprometer la fiabilidad del dispositivo o la integridad de la superficie.

Resistencia a altas temperaturas

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto químico fuerte y estable formado por silicio y carbono. Con una estructura atómica hexagonal y propiedades semiconductoras de banda ancha, el SiC ofrece una gran estabilidad química a altas temperaturas. Debido a su amplia banda de separación, los electrones necesitan más energía para pasar de las bandas de valencia a las de conducción, por lo que el SiC es ideal para crear dispositivos que funcionen a altas temperaturas.

Debido a la creciente demanda de dispositivos electrónicos de alta capacidad, sobre todo en vehículos eléctricos y sistemas de energías renovables, el mercado de semiconductores de carburo de silicio ha alcanzado cotas sin precedentes. Gracias a sus características térmicas y eléctricas únicas, el SiC es una opción excelente para aplicaciones de gestión de potencia.

El carburo de silicio destaca entre sus competidores por su resistencia a las altas temperaturas. Mientras que los circuitos integrados de silicio convencionales se descomponen en torno a los 550 ºC, los investigadores de la Universidad Case Western Reserve han probado con éxito chips lógicos de SiC a esta temperatura. Su éxito podría allanar el camino a futuros dispositivos electrónicos diseñados para funcionar en entornos hostiles, como motores a reacción o pozos petrolíferos profundos; incluso misiones espaciales en planetas calientes como Venus.

Uno de los rasgos distintivos de los semiconductores es su capacidad para gestionar grandes cantidades de electricidad a velocidades muy altas, lo que resulta crucial en muchas aplicaciones, especialmente la transmisión por radiofrecuencia. La comunicación por radiofrecuencia requiere el uso de potencias muy elevadas para la transferencia de datos, lo que provoca temperaturas muy elevadas. La amplia banda prohibida del carburo de silicio le permite soportar campos eléctricos casi 10 veces superiores a los del silicio tradicional.

Baja resistencia al encendido

El carburo de silicio es un material semiconductor de potencia avanzado con ventajas significativas sobre los dispositivos basados en silicio, como una mayor eficiencia de conversión de potencia, mayor tolerancia a temperaturas y tensiones de funcionamiento, menores pérdidas y mayor resistencia a temperaturas y tensiones, cualidades que lo hacen adecuado como opción de sustitución en aplicaciones como estaciones de carga de vehículos eléctricos, sistemas de energía solar/eólica, centros de datos, accionamientos industriales, etc.

El carburo de silicio en estado puro actúa como aislante eléctrico; sin embargo, si se le añaden impurezas controladas, conocidas como dopantes, puede alterarse para que se comporte como un semiconductor de tipo p o de tipo n. Dopantes como el aluminio, el boro, el galio y el nitrógeno permiten que se den ciertas condiciones para que conduzca la electricidad con mayor facilidad, aunque para asegurarse de que existen las concentraciones adecuadas de dopantes, un laboratorio debe realizar pruebas exhaustivas.

El carburo de silicio ofrece varias ventajas sobre el silicio, entre ellas su tensión de ruptura significativamente superior -hasta 10 veces mayor que la del silicio-, que permite a los diseñadores crear dispositivos más pequeños con menores pérdidas de potencia y velocidades de conmutación más rápidas, lo que da lugar a circuitos de control más veloces con menores pérdidas. Además, las velocidades de conmutación son aproximadamente 10 veces mayores.

Las ventajas del carburo de silicio están impulsando su uso en numerosas aplicaciones de gestión de la energía, desde inversores en cargadores de vehículos eléctricos y motores alimentados por baterías, hasta convertidores de baterías utilizados en mejoras de la eficiencia energética en toda una serie de aplicaciones. A medida que se utilice más energía eléctrica en todo el mundo, los convertidores de potencia de carburo de silicio desempeñarán un papel cada vez más esencial a la hora de proporcionar más eficiencia en muchos campos de uso.