Tecnología de carburo de silicio

El carburo de silicio (SiC) es un compuesto sintético de silicio y carbono de excepcional dureza que se utiliza para fabricar papel de lija, muelas abrasivas y herramientas de corte, así como revestimientos para hornos industriales, como material refractario o elementos calefactores.

El SiC puede transformarse en semiconductor añadiendo diversas impurezas que permiten el paso de la electricidad a través de él, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren tanto altas temperaturas como niveles de potencia. Esta propiedad hace del SiC un material prometedor.

Alta temperatura

El carburo de silicio (SiC) de alta temperatura es un material ideal para crear componentes electrónicos flexibles diseñados para resistir entornos duros y tóxicos, gracias a sus propiedades físicas superiores a las de las plataformas rígidas, como la elasticidad y la capacidad de flexión. Además, el SiC ofrece una excelente resistencia a la oxidación, así como un alto punto de fusión que lo hace adecuado para intercambiadores de calor compactos de alta temperatura. En esta tesis describimos un método para fabricar sensores flexibles basados en SiC sobre sustratos de poliimida adecuados para entornos hostiles.

El SiC ha demostrado ser un semiconductor de banda prohibida ancha muy prometedor, ya que ofrece tensiones de ruptura superiores a las de sus homólogos de silicio y, al mismo tiempo, una resistencia y unas temperaturas de funcionamiento más bajas. Su amplio bandgap le permite funcionar a temperaturas más elevadas.

La excelente conductividad térmica del carburo de silicio lo convierte en una opción excelente para aplicaciones en las que los dispositivos deben soportar temperaturas extremas y calentamientos repetidos, como los vehículos eléctricos (VE). Esta tecnología permite tiempos de carga rápidos al tiempo que minimiza el número de componentes y la pérdida global del sistema; además, acelera los tiempos de carga de la batería desde capacidad cero hasta plena capacidad, lo que es vital para su adopción e implantación.

Los recientes avances en circuitos integrados y convertidores de potencia basados en SiC han permitido alcanzar temperaturas de funcionamiento más elevadas; sin embargo, aún es necesario superar varios retos técnicos para lograr nuevos avances, como el accionamiento de la puerta, la medición de la corriente, la correspondencia de parámetros entre dispositivos, la tecnología de envasado para adaptarse a condiciones de alta temperatura de funcionamiento, el envasado adaptado a altas temperaturas, etc. Para superar estos obstáculos, los investigadores están desarrollando materiales y tecnologías adecuados para entornos de altas temperaturas, como la sinterización, la unión por reacción y el crecimiento de cristales, así como la producción por CVD de SiC en forma masiva para la fabricación a escala de oblea.

Alta potencia

Los dispositivos de potencia de carburo de silicio están revolucionando nuestra concepción de la electricidad. En comparación con sus predecesores de silicio (Si), esta nueva tecnología de SiC ofrece temperaturas de funcionamiento más elevadas, menores pérdidas de conmutación, mayores capacidades de corriente y tensión, así como un menor tamaño/peso de los componentes, lo que se traduce en una reducción drástica de los costes del sistema.

El SiC es un material excepcional con propiedades únicas que lo convierten en el sucesor ideal del silicio para aplicaciones de alta tensión y corriente. Compuesto de silicio (Si) y carbono (C), el SiC presenta una intensidad de campo eléctrico de ruptura 10 veces superior y una separación de banda 3 veces mayor que el silicio convencional, lo que lo hace adecuado para dopar impurezas tanto de tipo p como de tipo n, haciendo posible una serie de tecnologías de dispositivos de potencia como diodos Schottky y MOSFET en paquetes discretos o modulares.

En una torre de telefonía móvil, la alta tensión de ruptura del SiC alimenta los amplificadores de RF utilizados para transmitir señales inalámbricas entre las estaciones base de telefonía móvil y los transceptores de base. Además, esta tecnología se está implantando en los sistemas de alimentación de vehículos eléctricos (VE), donde ha demostrado ser beneficiosa gracias a distancias de conducción más largas, así como a una mayor conservación de la energía mediante sistemas de gestión de baterías e inversores con mayores funciones de conservación de la energía.

Los IDM y FET de carburo de silicio presentan una menor resistencia al encendido que los IGBT de silicio, a la vez que ofrecen 300 veces más tensión soportada y un funcionamiento más rápido, lo que permite frecuencias de conmutación más altas con menores costes de refrigeración, así como componentes pasivos más pequeños y un magnetismo más sencillo. Además, la conductividad térmica superior del carburo de silicio permite que los convertidores de potencia sean más compactos y puedan montarse en disipadores de calor más pequeños para reducir aún más el tamaño, el peso y los costes del sistema.

Alta tensión

Los semiconductores de carburo de silicio (SiC) ofrecen ventajas significativas sobre las tecnologías de silicio estándar en aplicaciones de conversión de energía, especialmente en lo que respecta a campos eléctricos y temperaturas. El SiC puede soportar campos eléctricos más intensos a temperaturas más bajas, lo que se traduce en un mayor rendimiento a un coste menor en términos de espacio físico ocupado o costes pagados; esta ventaja hace que estos semiconductores sean especialmente adecuados para infraestructuras clave como las de carga de vehículos eléctricos.

Los dispositivos de potencia de SiC tienen la capacidad de soportar un campo eléctrico crítico 10 veces mayor que los de silicio, lo que los convierte en una solución excelente para aplicaciones de potencia de alto voltaje. Además, sus pérdidas de conducción son mucho menores, lo que permite frecuencias de conmutación más rápidas y una mayor eficiencia.

Estas características hacen que estos componentes sean perfectos para aplicaciones del sector energético, como convertidores de potencia y controles de motores. Su construcción ligera pero eficiente permite a los diseñadores reducir el peso y el tamaño de componentes como imanes e inductores para reducir el coste de diseño sin dejar de cumplir las especificaciones de nivel de tensión.

Los dispositivos de potencia de SiC presentan la ventaja de su mayor tensión de ruptura, lo que les permite soportar tensiones más altas que los dispositivos de silicio estándar y ser adecuados para sistemas alimentados por baterías en los que los interruptores de potencia deben gestionar eficazmente grandes corrientes y temperaturas.

Los dispositivos de potencia de Si convencionales presentan una resistencia extremadamente alta en la capa n cuando la tensión de ruptura supera los 600-800 V, por lo que, para superar este límite, la inyección minoritaria de portadoras desde la región p puede ayudar a reducir esta resistencia creando uniones pn abruptas; esta forma de dispositivo se conoce como transistor bipolar.

Mitsubishi Electric ha presentado recientemente una serie de IGBT de carburo de silicio (SiC) de alta tensión diseñados específicamente para aplicaciones industriales. Estos nuevos dispositivos pueden sustituir a los dispositivos de silicio estándar en los sistemas de conversión de potencia para conseguir un importante ahorro energético al tiempo que mejoran la fiabilidad en las redes de transmisión de CC de alta tensión.

Alta frecuencia

Los semiconductores de potencia de carburo de silicio (SiC) de alta frecuencia permiten que los convertidores de potencia funcionen de forma más rápida, eficiente y fiable, factores tecnológicos clave en muchas aplicaciones transformadoras como las estaciones de carga de vehículos eléctricos, la alimentación de centros de datos y las fuentes de alimentación de servidores. Además, sus propiedades térmicas superiores hacen del SiC una opción excelente para su uso en entornos de altas temperaturas.

El SiC es único entre los semiconductores porque su brecha energética es tres veces mayor que la del silicio, lo que le permite soportar temperaturas, tensiones y frecuencias mucho más altas sin degradarse con el tiempo. Esto permite a los diseñadores reducir el tamaño de las placas y eliminar por completo los costosos componentes magnéticos.

Los semiconductores de banda ancha (WBG) de alta velocidad plantean retos únicos en lo que respecta a las velocidades de conmutación; su rápida conmutación puede dar lugar a picos de tensión, ruido e incumplimiento de la normativa sobre interferencias electromagnéticas (EMI). Para minimizar estos problemas, los ingenieros deben diseñar y probar sus sistemas utilizando herramientas y metodologías de medición de precisión e incorporar las mejores prácticas que minimicen los riesgos de que estos problemas afloren durante el desarrollo de prototipos, la cualificación de productos o, peor aún, sobre el terreno.

Recientemente, las importantes reducciones en el área de la matriz de los dispositivos de SiC les han permitido funcionar a frecuencias más altas que los chips convencionales basados en silicio, lo que les ha llevado a obtener buenos resultados en aplicaciones de potencia clave como TPPFC a 100 kHz y LLC de conmutación suave a 200-300 kHz. Las tecnologías emergentes, como los MOSFET de zanja y en cascada, aumentarán aún más el rendimiento en aplicaciones de alta frecuencia.

La familia GeneSiC de dispositivos de SiC protegidos por patente de Navitas proporciona una conversión de potencia eficiente y de alta velocidad para aplicaciones que van desde 20 W hasta 20 MW, desde 20 W hasta 6,5 kV de tensión nominal del dispositivo, ofreciendo una conductividad, conmutación, intensidad de campo eléctrico y resistencia de campo eléctrico excepcionales que permiten a los diseñadores implementar con facilidad topologías de conversión de potencia de media tensión de vanguardia, como convertidores de dos niveles o transformadores de estado sólido.

Alta velocidad

Los dispositivos de potencia de carburo de silicio están revolucionando la forma de transformar, controlar y distribuir la electricidad. Al ofrecer numerosas ventajas sobre sus homólogos de silicio, los semiconductores de potencia de SiC permiten crear sistemas más pequeños y ligeros, más eficientes y fiables, perfectos para su uso en vehículos eléctricos (VE) o cargadores de baterías; las aplicaciones industriales incluyen robots o automatización de fábricas.

El SiC es ideal para los diseñadores de sistemas que buscan mejoras de eficiencia gracias a su mayor tensión de ruptura y velocidad de conmutación, lo que lo hace perfecto para aplicaciones de alta velocidad como la tecnología móvil 5G, que requiere hardware con velocidades de transmisión de datos 20 veces más rápidas que 4G LTE. Además, los dispositivos de SiC presentan una conductividad y fiabilidad superiores a las de los semiconductores de potencia tradicionales basados en silicio.

La amplia banda prohibida del carburo de silicio permite que la electrónica funcione a temperaturas, tensiones y frecuencias mucho más elevadas -características clave del funcionamiento a alta velocidad-, lo que reduce las pérdidas generales de potencia y, al mismo tiempo, hace que los dispositivos sean más pequeños en tamaño y coste, al tiempo que mejora los problemas de gestión térmica y permite utilizar componentes pasivos de menor coste.

Los dispositivos de portadora minoritaria, como los IGBT, se empleaban antes para gestionar tensiones de ruptura más altas; sin embargo, sufren un aumento de la resistencia al encendido y pérdidas de conmutación a altas frecuencias, lo que restringe su aplicación en muchas aplicaciones de electrónica de potencia. Por el contrario, los dispositivos de portadora mayoritaria, como los diodos de barrera Schottky y los transistores MOSFET fabricados con carburo de silicio, pueden soportar tensiones de ruptura más elevadas con una resistencia de conexión mínima, incluso a frecuencias más altas, lo que supone una ventaja inestimable a la hora de diseñar aplicaciones de electrónica de potencia.

Los MOSFET de SiC y los diodos MPS Schottky de GeneSiC soportan la conversión de potencia de alta velocidad y alta eficiencia en diversas aplicaciones como la carga/almacenamiento de energía de vehículos eléctricos, redes, captación/generación de energía solar/eólica, accionamientos de motores y sistemas de automatización industrial. Gracias a la resistencia a la temperatura y a la radiación y a otras características que ofrecen estos componentes, los diseñadores pueden crear soluciones fiables y rentables en factores de forma más pequeños que los fabricados con equivalentes de silicio.