A szilícium-karbid előnyei a szilíciummal szemben

Az elektronoknak a valenciasávból a vezetési sávba való átmenetéhez szükséges energiát sávhézagnak nevezzük; a nagy sávhézaggal rendelkező anyagokat széles sávhézagú félvezetőknek nevezzük.

A WBG félvezetők számos előnnyel büszkélkedhetnek szilíciumból készült társaikkal szemben, többek között magasabb feszültséggel és a szélsőséges üzemi hőmérsékletekkel szembeni nagyobb tűrőképességgel.

Szélesebb sávos rés

A szilícium alacsonyabb költségei és szélesebb körű elérhetősége lehetővé tette, hogy a teljesítmény félvezető alkalmazásokban megelőzze a germániumot, mint első számú választást, most azonban a szilícium két nagyobb hatásfokú alternatívának ad helyet: a gallium-nitridnek (GaN) és a szilícium-karbidnak (SiC). Mindkét anyag a széles sávhézagú félvezetőcsaládok közé tartozik - szélesebb sávhézaguk lehetővé teszi, hogy magasabb feszültségen, hőmérsékleten és frekvencián működjenek, így tökéletesen alkalmasak a mai nagy teljesítményű eszközökhöz.

Bármely anyag sávhézaga határozza meg szigetelő vagy vezető tulajdonságait, mivel egy szigetelőnek rendkívül nagy energiára van szüksége ahhoz, hogy az elektronok a valenciasávból a vezetési sávba kerüljenek, és fordítva; a széles sávhézagú nitridek, például a GaN és a SiC energiahézaga körülbelül 3,2 eV, ami további energiafelhasználás nélkül lehetővé teszi a közvetlen vezetést.

A WBG félvezetők, ha olyan keskeny sávszélességű félvezetőkkel kombinálják őket, mint a SiN vagy a GaAs, szélesebb sávszélességük miatt hatékony fénykibocsátókká válnak. A látható fény fotonjait ezek a félvezetők elnyelik, elektron-lyuk párokat hozva létre. Ha egy közeli lézerdióda gerjeszti ezeket a párokat, energiát szabadíthatnak fel, amely terahertzes (THz) fotonok kibocsátását eredményezi - így jön létre a THz-fotonemisszió.

A WBG félvezetők kivételes teljesítményt nyújtanak a nagy teljesítményű és nagyfrekvenciás elektronikában, optoelektronikában és érzékelőkben. Ezen túlmenően alkalmazásuk jelentősen javíthatja a meglévő szilíciumalapú teljesítményelektronikai eszközöket, miközben olyan új generációs termékeket hozhat létre, amelyek megfelelnek a gyorsabb kapcsolás iránti egyre növekvő igényeknek, kisebb formátényezők mellett.

A WBG félvezetők vékonyabbak is gyárthatók, mint a hagyományos szilícium, ami lehetővé teszi, hogy kisebb veszteségek mellett nagyobb feszültséget tartsanak el, és így csökkentsék a teljesítmény-átalakítók méretét és súlyát, miközben növelik a hatékonyságot és a működési sebességet. Továbbá a WBG félvezetők jobb hővezető képessége lehetővé teszi, hogy magasabb hőmérsékleten is működjenek, ami számos iparágban lehetőséget teremt; a SiC egy ilyen WBG félvezető, amelyet gyakran használnak hatékony tirisztorok gyártására, amelyek gyors kapcsolást biztosítanak a teljesítmény-átalakítók vezérlőrendszerei számára.

Magasabb feszültségek

A szilícium-karbid a hagyományos félvezetőknél sokkal nagyobb feszültségkapacitást kínál a közel háromszor nagyobb sávhézag miatt, ami energiahatékonyabb és gyorsabb működési sebességre képes teljesítményelektronikát tesz lehetővé.

A széles sávszélességű félvezetők számos előnnyel járhatnak, ha az elektromos járművekben (EV) alkalmazzák őket. Alacsonyabb bekapcsolási és kapcsolási veszteségeik kevesebb energiapazarlást eredményeznek, ami nagyobb energiaátalakítási hatásfokot eredményez, mint a hagyományos teljesítményű félvezetők.

A szilícium-karbid félvezetők előnye, hogy szélesebb sávhézaggal rendelkeznek, mivel ez lehetővé teszi számukra, hogy magasabb hőmérsékletet is elviseljenek, mint a tipikus szilícium eszközök, jellemzően 175 Celsius-fokig működnek, mielőtt a termikus aktiváció miatt degradálódnának. A szilícium-karbid eszközök azonban sokkal magasabb, 300 Celsius-fokos vagy még annál is magasabb hőmérsékletet is kibírnak anélkül, hogy az aktiválódás miatt degradálódnának.

A szilícium-karbidot széles sávhézaga különösen alkalmassá teszi a nagyfeszültségű tápellátási alkalmazásokhoz, ahol a növekvő hőmérséklet növekvő feszültséget eredményez. Továbbá, a magasabb átütési feszültség azt jelenti, hogy nagyobb feszültségeket képes kezelni, mint a tipikus szilícium félvezetők, amelyek jellemzően csak 600 V-ig bírják.

A szilícium-karbid átütési feszültsége tovább növelhető, ha gallium-nitriddel (GaN) együtt alkalmazzák, amelynek sávhézaga még szélesebb, 3,4 eV, mint a szilícium-karbidé; ez lehetővé teszi a GaN-SiC teljesítménytranzisztorok alkalmazását nagyfeszültségű áramátalakító áramkörökben.

A GaN és a SiC félvezetők a szélesebb sávhézaguknak köszönhetően kiválóak az energiaellátási alkalmazásokban, ami lehetővé teszi számukra, hogy több elektront tároljanak mind a valenciasávjukban, mind a vezetési sávjukban, így nagyobb áramot támogatnak, mint a hagyományos szilícium félvezetők, amelyek csak körülbelül 1,1 eV-os energiahézagot kínálnak.

A szilícium-karbid és a gallium-nitrid (GaN) tranzisztorok sávhézaga szélesebb, mint szilícium társaiké, ami a megnövekedett elektronmozgékonyság és telítési sebesség miatt gyorsabb kapcsolási sebességet biztosít, mint szilícium társaiké - ez lehetővé teszi a normál szilícium tranzisztoroknál tapasztalt kapcsolási frekvenciák akár tízszeresével való működést, ami különösen előnyös az elektromos járművekben (EV), amelyeknek az optimális működéshez gyors teljesítménykapcsolási képességekre van szükségük. Ezáltal a GaN teljesítménytranzisztorok ideálisak a működéshez szükséges gyors kapcsolási időkhöz, jelentős előnyöket kínálva az elektromos járművek teljesítménykapcsolási igényeinek kielégítésekor, amelyek az optimális működéshez olyan gyors, hatékony teljesítménykapcsolókat igényelnek, mint a hagyományos szilícium tranzisztorok - különösen fontos, amikor az EV-k működtetéséhez a lehető leghatékonyabb gyors, hatékony teljesítménykapcsolókra van szükség!

Magasabb üzemi hőmérséklet

A széles sávhézagú félvezetők a hagyományos szilíciumnál magasabb üzemi hőmérsékletet képesek elviselni, mivel az alkotóanyag atomjai között erős kötés van, ami lehetővé teszi, hogy magasabb olvadáspontot és alacsonyabb hőtágulási együtthatót tartson fenn. Ezenkívül ez az anyag magas Debye-hőmérsékletekkel és kiváló hővezetési tulajdonságokkal büszkélkedhet, amelyek biztosítják a gyors és hatékony hőelvezetést - ez a tulajdonság különösen fontos a nagy teljesítményű alkalmazásoknál, ahol az eszköz hatástalansága jelentős mennyiségű hőt termel.

A szilícium-karbid széles sávhézaga lehetővé teszi, hogy a szilíciumnál sokkal nagyobb működési feszültséget érjen el, mivel megnő az átütési mezője; ez azt méri, hogy mennyi energia szükséges a valenciasáv és a vezetési sáv közötti energiahatár áttöréséhez, és magasabb frekvenciákon nagyobb áramot enged át rajta, ami számos lehetőséget nyit meg az elektronikus eszközök számára.

Számos más előnnyel is jár, például jobb kapcsolási teljesítményt és nagyobb energiahatékonyságot biztosít a teljesítményelektronikai eszközökben. Az egyik ilyen előny a hagyományos szilícium inverterek felváltása az elektromos járművekben kisebb, könnyebb, nagyobb teljesítménysűrűségű és teljesítményű eszközökkel - így jelentősen csökken a helyigény és az összeszerelési költségek, miközben nő a biztonság, a megbízhatóság és a rendszer hatékonysága.

A szilícium-karbid működési hőmérsékleti határértéke meghaladja a szilíciumét, így hatékony technológia az elektromos járműveknél (EV) a súlyt és bonyolultságot növelő aktív hűtőrendszerekre való támaszkodás csökkentésére. Ez egyben a hatótávolságot is növeli, és könnyebb akkumulátorokat tesz lehetővé a fenntarthatóbb energiamegoldás érdekében.

A szilícium-karbid egyszerre jelent előnyöket és kihívásokat a gyártók számára. A gyártás költséges és időigényes lehet, míg az ohmos érintkezők és a Schottky-interfészek esetében kihívást jelenthet az alacsony érintkezési ellenállás elérése. Ezért rendszerszintű megközelítést kell alkalmazni a szilícium-karbid megfelelő méretezése érdekében, hogy a maximális teljesítményt minimális költség mellett érje el.

Magasabb hővezető képesség

A félvezetők által termelt hő elvezetése kulcsfontosságú. Ha nem sikerül hatékonyan elvezetni, az korlátozza a maximális üzemi feszültség- és hőmérséklet-kapacitásukat, és a szilíciumkarbid a hő gyorsabb eloszlatásával felülmúlja a szilíciumot, ami jelentős előnyöket kínál a magasabb üzemi hőmérsékletre tervezett eszközökben.

A szilícium-karbid kiváló hővezető képessége hozzájárul a kiváló teljesítményéhez az energiaátalakító alkalmazásokban, ahol a kiváló hővezető képessége a hagyományos szilícium inverterekhez képest nagyobb hatékonyságot eredményez. Összehasonlításképpen a szilícium-karbid eszközök akár 10%-tel nagyobb teljesítményszintet képesek kezelni anélkül, hogy veszítenének hatékonyságukból, mint szilícium társaik, elsősorban a szélesebb sávhézagoknak köszönhetően, valamint azért, mert sokkal magasabb hőmérsékletet képesek elviselni, mint a tipikus szilícium félvezetők.

A szilíciumkarbidhoz hasonló félvezetőkben az atommag körüli különböző energiaszinteket, az úgynevezett vezetési és valenciasávokat elfoglaló ionok vannak, amelyek vezetési sávban lévő ionjai áram esetén a vezetési sávba mozognak, de ehhez a normál szilíciumhoz képest jelentős mennyiségű energiára van szükség (jellemzően körülbelül 3,2 elektronvolt (eV)). Amikor egy ion a valenciasávból a vezetési sávba mozog, energiaráfordítást igényel: körülbelül 3,2 elektronvoltot a szilíciumkarbidban, míg a standard szilíciumban csak 1,1 eV-ot. Egy ion vezetési sávba való áthelyezésekor áram folyhat, de ehhez mindkét oldalról jelentős mennyiségű energiára van szükség; több áram nyerhető ki, és a szélesebb rések nagyobb kritikus térsűrűségeket jeleznek.

A gallium-nitrid és a szilícium-karbid egyaránt nagyobb átütési mezővel büszkélkedhet, mint a szilícium eszközök, ami azt jelenti, hogy lényegesen nagyobb feszültségű áramköröket tudnak támogatni. Ezáltal sokkal jobban megfelelnek katonai alkalmazásokhoz vagy bármilyen nagyfeszültségű feladathoz, mint a szilíciumalapú eszközök.

A szilícium-karbid teljes fotonikus sávhézaga (PBG) egy másik előnye, amely lehetővé teszi, hogy a fotonok polarizációtól függetlenül áthaladjanak rajta - a kvantuminformáció-feldolgozási alkalmazásokban, például a kvantumérzékelésben és -számításban való felhasználás érdekében.

A szilíciumkarbid kiemelkedik kiváló sávhézag-tulajdonságaival, valamint a sugárzással és a vegyi támadásokkal szembeni nagyfokú ellenálló képességével. A szilícium-karbid rendkívül rugalmas, így kiváló anyagválasztás az orvosbiológiai eszközökhöz és más olyan alkalmazásokhoz, amelyek stabil, a mechanikai igénybevételnek ellenálló anyagokat igényelnek, mint például a kórházak vagy a zord körülmények között működő ipari gépek. Ez teszi a szilíciumkarbidot kiváló választássá az orvosi képalkotó berendezésekben és a kórházakban vagy ipari gépekben használt eszközökben való felhasználásra, amelyeknek kemény körülmények között kell működniük.