Ventajas del carburo de silicio sobre el silicio

La energía necesaria para que los electrones pasen de la banda de valencia a la banda de conducción se conoce como brecha de banda; los materiales con grandes brechas se conocen como semiconductores de brecha de banda ancha.

Los semiconductores WBG presentan muchas ventajas sobre sus homólogos de silicio, como una mayor capacidad de voltaje y una mayor tolerancia a temperaturas de funcionamiento extremas.

Mayor separación entre bandas

Los costes más bajos del silicio y su mayor disponibilidad le permitieron superar al germanio como la opción preferida en aplicaciones de semiconductores de potencia, pero ahora el silicio está dejando paso a dos alternativas de mayor eficiencia: el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC). Ambos materiales pertenecen a la familia de los semiconductores de banda ancha, que les permiten funcionar a voltajes, temperaturas y frecuencias más elevados, lo que los hace perfectos para los dispositivos de alto rendimiento actuales.

Un aislante necesita cantidades prohibitivas de energía para que los electrones pasen de su banda de valencia a la de conducción y viceversa; los nitruros de banda ancha, como el GaN y el SiC, tienen una brecha energética de unos 3,2 eV que permite la conducción directa sin gasto energético adicional.

Los semiconductores WBG, cuando se combinan con semiconductores de banda estrecha como el SiN o el GaAs, se convierten en eficaces emisores de luz gracias a su mayor banda prohibida. Los fotones de luz visible pueden ser absorbidos por estos semiconductores, creando pares electrón-hueco. Una vez excitados por un diodo láser cercano, estos pares pueden liberar energía que les haga emitir fotones de terahercios (THz), produciendo así la emisión de fotones de THz.

Los semiconductores WBG ofrecen un rendimiento excepcional en electrónica de alta potencia y alta frecuencia, optoelectrónica y sensores. Además, su uso puede mejorar significativamente los dispositivos electrónicos de potencia de silicio existentes y crear productos de nueva generación que respondan a la creciente demanda de conmutación más rápida con factores de forma más pequeños.

Los semiconductores WBG también pueden fabricarse más finos que el silicio tradicional, lo que les permite soportar tensiones más altas con menos pérdidas y, por tanto, reducir el tamaño y el peso de los convertidores de potencia al tiempo que aumentan la eficacia y la velocidad de su funcionamiento. Además, la conductividad térmica mejorada de los WBG les permite funcionar a temperaturas elevadas, lo que crea oportunidades en muchas industrias diferentes; el SiC es uno de estos semiconductores WBG que se utiliza a menudo para producir tiristores eficientes que proporcionan conmutación rápida para sistemas de control de convertidores de potencia.

Tensiones más altas

El carburo de silicio ofrece una capacidad de voltaje muy superior a la de los semiconductores tradicionales gracias a su brecha de banda casi tres veces mayor, lo que permite una electrónica de potencia más eficiente desde el punto de vista energético y capaz de funcionar a mayor velocidad.

Los semiconductores de banda prohibida ancha pueden aportar muchas ventajas a los vehículos eléctricos. Sus menores pérdidas en el estado de conexión y conmutación se traducen en un menor desperdicio de energía, lo que se traduce en mayores eficiencias de conversión energética que los semiconductores de potencia tradicionales.

Los semiconductores de carburo de silicio se benefician de tener bandas de separación más anchas, ya que esto les permite tolerar temperaturas más altas que los dispositivos típicos de silicio, que suelen funcionar hasta 175 grados Celsius antes de degradarse debido a la activación térmica. Pero los dispositivos de carburo de silicio pueden soportar temperaturas mucho más altas, de 300 grados Celsius o incluso más, sin degradarse por activación.

La amplia banda prohibida del carburo de silicio lo hace especialmente adecuado para aplicaciones de alta tensión, en las que el aumento de la temperatura conlleva un aumento de la tensión. Además, su mayor tensión de ruptura le permite soportar tensiones más altas que los semiconductores de silicio, que normalmente sólo soportan hasta 600 V.

La tensión de ruptura del carburo de silicio puede aumentarse aún más cuando se utiliza con nitruro de galio (GaN), que tiene una separación de banda aún más amplia, de 3,4 eV, que el carburo de silicio; esto permite utilizar transistores de potencia GaN-SiC en circuitos convertidores de potencia de alta tensión.

Los semiconductores de GaN y SiC destacan en aplicaciones de potencia por su mayor brecha de banda, que les permite albergar más electrones tanto en su banda de valencia como en la de conducción, lo que permite soportar corrientes más elevadas que los semiconductores de silicio convencionales, que sólo ofrecen una brecha de energía de aproximadamente 1,1 eV.

Los transistores de carburo de silicio y nitruro de galio (GaN) se caracterizan por unas bandas de separación más anchas que las de sus homólogos de silicio, lo que les confiere velocidades de conmutación más rápidas que éstos gracias a una mayor movilidad de los electrones y velocidad de saturación. Esto permite funcionar a frecuencias de conmutación hasta diez veces superiores a las de los transistores de silicio normales, lo que los hace especialmente beneficiosos en vehículos eléctricos (VE), que requieren una capacidad de conmutación de potencia rápida para un funcionamiento óptimo. Esto hace que los transistores de potencia de GaN sean ideales para los tiempos de conmutación rápidos necesarios para el funcionamiento, ofreciendo ventajas significativas cuando se utilizan para las necesidades de conmutación de potencia de los vehículos eléctricos que requieren conmutadores de potencia rápidos y eficientes como los transistores de silicio convencionales para que funcionen de forma óptima - ¡especialmente importante cuando el funcionamiento de los VE necesita conmutadores de potencia rápidos y eficientes de la forma más eficiente posible!

Mayores temperaturas de funcionamiento

Los semiconductores de banda ancha pueden soportar temperaturas de funcionamiento más elevadas que el silicio estándar gracias a la fuerte unión entre los átomos que lo componen, lo que les permite mantener puntos de fusión más altos y coeficientes de expansión térmica más bajos. Además, este material presenta altas temperaturas de Debye y excelentes cualidades de conductividad térmica que garantizan una disipación rápida y eficaz del calor, característica especialmente importante cuando se utiliza en aplicaciones de alta potencia en las que las ineficiencias del dispositivo generan cantidades significativas de calor.

La amplia banda de separación del carburo de silicio le permite alcanzar voltajes de funcionamiento mucho más altos que el silicio, debido al aumento de su campo de ruptura; éste mide cuánta energía se necesita para romper una barrera energética entre las bandas de valencia y conducción y permite que pase más corriente a través de él a frecuencias más altas, lo que abre muchas posibilidades para los dispositivos electrónicos.

También aporta muchas otras ventajas, como la mejora de las prestaciones de conmutación y una mayor eficiencia energética en los dispositivos electrónicos de potencia. Una de estas ventajas es la sustitución de los inversores de silicio tradicionales en los vehículos eléctricos por dispositivos más pequeños y ligeros, con mayor densidad de potencia y rendimiento, lo que reduce significativamente los requisitos de espacio y los costes de montaje, al tiempo que aumenta la seguridad, la fiabilidad y la eficiencia del sistema.

El límite de temperatura de funcionamiento del carburo de silicio supera al del silicio, lo que lo convierte en una tecnología eficaz para reducir la dependencia de sistemas de refrigeración activos que añaden peso y complejidad en los vehículos eléctricos (VE). Esto también amplía la autonomía y facilita baterías más ligeras para una solución energética más sostenible.

El carburo de silicio presenta ventajas y dificultades para los fabricantes. La producción puede ser costosa y requerir mucho tiempo, mientras que alcanzar una baja resistencia de contacto para contactos óhmicos e interfaces Schottky puede ser todo un reto. Por lo tanto, debe adoptarse un enfoque a nivel de sistema para dimensionar adecuadamente el carburo de silicio en función de su aplicación y obtener el máximo rendimiento con el mínimo coste.

Mayor conductividad térmica

La disipación del calor generado por los semiconductores es crucial. Si no se disipa eficazmente, se limitan sus capacidades máximas de tensión y temperatura de funcionamiento, y el carburo de silicio supera al silicio al dispersar el calor más rápidamente, lo que ofrece ventajas significativas en dispositivos diseñados para temperaturas de funcionamiento más elevadas.

La conductividad térmica superior del carburo de silicio contribuye a su excelente rendimiento en aplicaciones de conversión de potencia, donde su conductividad térmica superior da lugar a una mayor eficiencia en comparación con los inversores de silicio tradicionales. Comparativamente hablando, los dispositivos de carburo de silicio pueden manejar hasta 10% más niveles de potencia sin perder eficiencia que sus homólogos de silicio debido principalmente a brechas de banda más amplias, así como ser capaces de soportar temperaturas mucho más altas que los semiconductores de silicio típicos.

Los semiconductores de carburo de silicio, como el carburo de silicio, contienen iones que ocupan distintos niveles de energía alrededor del núcleo del átomo, conocidos como bandas de conducción y de valencia. Los iones de la banda de conducción se mueven para pasar a la de conducción cuando fluye la corriente, pero esto requiere cantidades considerables de energía en comparación con el silicio estándar (normalmente unos 3,2 electronvoltios (eV)). Cuando un ion se desplaza de su banda de valencia a la banda de conducción requiere un gasto de energía: unos 3,2 electronvoltios en el carburo de silicio frente a sólo 1,1eV en el silicio estándar. Al mover un ion a la banda de conducción permite que fluya la corriente, pero esto requiere cantidades considerables de energía de ambos lados; se puede extraer más energía y las brechas más anchas indican densidades de campo crítico más altas.

Tanto el nitruro de galio como el carburo de silicio presentan campos de ruptura mayores que los dispositivos de silicio, lo que significa que pueden soportar circuitos de voltaje significativamente más alto. Por ello, están mucho mejor preparados que los dispositivos de silicio para aplicaciones militares o tareas de alta tensión.

Otra ventaja del carburo de silicio es su completa brecha de banda fotónica (PBG), que permite el paso de fotones a través de él con independencia de la polarización, lo que lo hace idóneo para aplicaciones de procesamiento de información cuántica como la detección y la computación cuánticas.

El carburo de silicio destaca por sus propiedades superiores de separación de bandas, así como por ser muy duradero frente a la radiación y los ataques químicos. Altamente flexible, el carburo de silicio es un material excelente para dispositivos biomédicos y otras aplicaciones que requieren materiales estables capaces de soportar tensiones mecánicas, como hospitales o máquinas industriales que funcionan en condiciones duras. Esto hace que el carburo de silicio sea una opción excelente para su uso en equipos de imagen médica y dispositivos utilizados en hospitales o máquinas industriales que deben funcionar en condiciones duras.