Piikarbidisirut

Piikarbidisirut, jotka tunnetaan myös nimellä karborundi (tai yksinkertaisesti SiC), ovat kokeneet uskomattoman muutoksen tehoelektroniikkateollisuudessa. Piikarbidisirut toimittavat virtaa kuin keskeytymätön virtalähde tehoelektroniikkasovelluksiin, kuten patoseinät, jotka avautuvat ja sulkeutuvat tarvittaessa.

Sähköajoneuvojen akkuteknologian pitäisi lisätä ajomatkaa latausta kohden, lyhentää latausaikoja ja parantaa yleistä tehokkuutta.

1. Korkea läpilyöntijännite

SiC-sirujen dielektrisen läpilyöntikentän voimakkuus on noin 10 kertaa suurempi kuin piin, mikä antaa niille erittäin korkeat, 600 V:n tai jopa tuhansien volttien läpilyöntijännitteet ja vähentää siten vastuskomponenttien määrää teholaitteissa.

Piikarbidin kaltaiset laajan kaistanleveyden materiaalit ovat osoittautuneet korvaamattomiksi, kun niitä käytetään tehoelektroniikan sovelluksissa, kuten maanpäällisissä sähköajoneuvoissa ja avaruustutkimusluotaimissa ja -välineissä, joissa piipuolijohteiden on kestettävä erittäin korkeita jännitteitä vaativissa ympäristöissä. Tästä edusta on tullut entistäkin tärkeämpi, koska piikarbidin kaltaisia laajakaistaisia materiaaleja on otettu yhä useammin käyttöön piipuolijohteiden korvaamiseksi.

Piikarbidin korkea murtojännite mahdollistaa pienempien laitteiden suunnittelun ilman pelkoa katastrofaalisesta vikaantumisesta, joka aiheutuisi yhteensopimattoman piipuolijohdekomponentin liian suuresta käänteisestä jännitteestä, mikä johtaa pienempiin tehohäviöihin piireissä ja pienempiin komponenttien mittoihin.

Piikarbidin läpilyöntijännite riippuu hiilivakioiden pitoisuudesta, jota voidaan hallita hiiliioni-implantaatiolla, jota seuraa lämpöhapetus 1500-1700degC:ssa tai Ar-hehkutus ja lämpöhapetus 1500-1770degC:ssa. Tällä prosessilla varmistetaan, että hiilityhjiötiheys pysyy laitteissa riittävän alhaisena, jotta varmistetaan pitkä kantoaineen elinikä ja korkea läpilyöntijännite.

2. Korkea lämmönjohtavuus

Piikarbidi on yksi kovimmista tunnetuista materiaaleista, jolla on erinomainen korroosionkestävyys, jonka ansiosta se kestää jopa 1400 asteen lämpötiloja. Lujuutensa ansiosta piikarbidia käytetään autojen jarruissa ja kytkimissä sekä luodinkestävissä liiveissä; lisäksi siitä valmistetaan hioma-aineita ja puolijohteita.

Piikarbidipuolijohteet käsittelevät sähköä tehokkaammin kuin perinteiset vastineensa joissakin keskeisissä sovelluksissa, kuten Schottky-diodit (virtalähteiden tasasuuntaajat) ja FETit/MOSFETit (transistorit).

Piikarbidisirut kestävät korkeampia käyttölämpötiloja, joten ne soveltuvat erityisen hyvin sähköajoneuvojen valmistajille. Niiden lämpötilaa säätelevät ominaisuudet vähentävät riippuvuutta aktiivisista jäähdytysjärjestelmistä, jotka lisäävät painoa ja kustannuksia, ja lisäävät ajomatkaa sekä latausaikoja.

3. Suuri tehotiheys

Piikarbidi on kiehtova yhdistelmä fysikaalisia ja elektronisia ominaisuuksia. Puhtaassa tilassaan piikarbidi käyttäytyy sähköisesti eristävänä aineena, mutta lisäämällä siihen epäpuhtauksia hallitusti se voi muuttua joko P- tai N-tyypin puolijohdemateriaaliksi. P-tyypin laitteita voidaan luoda seostamalla alumiini-, boori-, gallium- tai typpipitoisia epäpuhtauksia; N-tyypin laitteessa typpi- ja fosforipitoiset epäpuhtaudet tuottavat N-tyypin laitteita - tai sitä voidaan jopa seostaa suprajohtavuuden saavuttamiseksi!

Hallitusten painostus päästöjen vähentämiseksi ja sähköajoneuvojen suosion kasvu ovat lisänneet korkeilla jännitteillä toimivien tehokomponenttien kysyntää, mikä on lisännyt piikarbidin ja laajan kaistaleveyden materiaalien, kuten galliumnitridin, käyttöä.

Piikarbidisirujen jännitevastus on pienempi kuin piistä valmistettujen sirujen, mikä mahdollistaa pienempien laitteiden luomisen, joissa laitteiden paino ja energiahäviöt ovat pienemmät. Rautatieliikennesovelluksiin sovellettuna tehokkaampien ja pienemmän jalanjäljen omaavien laitteiden käyttäminen voi auttaa lisäämään tehotiheyttä ja samalla lisätä kuljetuskapasiteettia ja samalla pienentää käyttökustannuksia. Mitsubishi Electric kehitti hiljattain 6,5 kV:n täys-SiC-tehopuolijohdemoduulin, jonka tehotiheys on heidän mukaansa maailman suurin sekä jännite- että virran nimellisarvotasoilla.

4. Korkean lämpötilan vakaus

Piikarbidipuolijohteiden käyttöikä 500 C:n lämpötiloissa on pidempi, joten ne soveltuvat aurinkosovelluksiin sekä teholaitteisiin, joiden on kestettävä korkeampia lämpötiloja kuin piin. Piikarbidi kestää myös korkeampia lämpötiloja paremmin kuin pii.

Piikarbidin seostaminen alumiinilla ja boorilla synnyttää P-tyypin puolijohteita, kun taas typpi ja fosfori tuottavat N-tyypin piikarbideja.

Piikarbiditransistoreilla ja FET:illä on laaja kielletty kaista ja suuri kriittinen sähkökenttä, joten ne soveltuvat hyvin korkeiden jännitteiden käsittelyyn pienemmällä kytkentävastuksella ja kytkentähäviöillä. Lisäksi niiden pieni koko verrattuna IGBT- tai bipolaaritransistoreihin tarjoaa paljon paremmat lämpötilansietokyvyt sekä suuremman luotettavuuden laajemmalla lämpötila-alueella.

Sijoittajat ovat kiinnittäneet huomiota piikarbidisirujen valmistajien, kuten Infineonin, ON Semiconductorin ja Wolfspeedin, tarjoamiin kasvumahdollisuuksiin. Niiden tehopuolijohteita on muun muassa sähköajoneuvoissa, aurinkoenergian muuntamisessa ja 5G:n langattomassa teknologiassa.

5. Korkea energiatehokkuus

Piikarbidisirut tarjoavat paremman suorituskyvyn kuin perinteiset piilaitteet, kuten IGBT:t ja bipolaaritransistorit, kuten IGBT:t. Ne toimivat luotettavammin korkeammilla läpilyöntijännitteillä, ja niiden kytkentävastus ja kytkentähäviöt ovat pienemmät.

Nämä edut auttavat SiC-pohjaisia malleja alentamaan järjestelmän kokonaiskustannuksia, mikä on olennaista energiatehokkaiden teknologioiden laajamittaisen käyttöönoton kannalta. SiC-mallit voivat saavuttaa nämä säästöt pienemmällä järjestelmäkoolla ja pienemmillä jäähdytys-, passiivisten komponenttien ja johdotuskustannuksilla.

Piikarbidin ainutlaatuiset ominaisuudet auttavat luomaan mullistavia teknologioita tulevaisuuttamme varten, erityisesti siirryttäessä kohti päästötöntä taloutta. Esimerkiksi Wolfspeed-tehopuolijohteet voivat lisätä sähköajoneuvojen tehokkuutta 10% ja auttaa akkuja latautumaan 30% nopeammin.

Piikarbidin tehosirut auttavat maailmaa tekemään enemmän vähemmällä energiankulutuksella, jotta voimme jatkaa tuttua elämäämme. Juuri tämä tekee tästä teknologiasta niin jännittävän - sen kiistattomat edut vievät sen nopeasti laajaan käyttöön - jännittävä aika olla tehopuolijohdeteknologian uranuurtaja!