Szilícium-karbid chipek

A szilícium-karbid chipek, más néven karborundum (vagy egyszerűen SiC) hihetetlen átalakuláson mentek keresztül a teljesítményelektronikai iparban. Mint a gátfalak, amelyek szükség esetén nyílnak és záródnak, a szilícium-karbid chipek megszakítás nélküli áramforrásként szállítják az áramot a teljesítményelektronikai alkalmazásokba.

Az elektromos járművek akkumulátor-technológiáinak növelniük kell az egy töltésre jutó hatótávolságot, csökkenteniük kell a töltési időt és javítaniuk kell az általános hatékonyságot.

1. Magas átütési feszültség

A SiC chipek dielektromos átütési elektromos térerőssége nagyjából 10-szer nagyobb, mint a szilíciumé, ami nagyon magas, 600 V-os vagy akár több ezer voltos átütési feszültséget biztosít, és így csökkenti az ellenállásos alkatrészek számát a teljesítményeszközökben.

Az olyan széles sávszélességű anyagok, mint a szilícium-karbid, felbecsülhetetlen értékűnek bizonyultak a teljesítményelektronikai alkalmazásokban, például a földi elektromos járművekben és az űrkutatási szondákban és műszerekben, ahol a szilícium félvezetőknek rendkívül magas feszültségű, zord környezetben kell ellenállniuk. Ez az előny még kritikusabbá vált, mióta a szilícium-karbidhoz hasonló széles sávszélességű anyagokat egyre gyakrabban alkalmazzák a szilícium félvezetők helyettesítésére.

A szilícium-karbid magas törési feszültsége lehetővé teszi, hogy kisebb méretű eszközöket tervezzenek anélkül, hogy tartani kellene az inkompatibilis szilícium félvezető eszköz túl nagy fordított előfeszítéséből eredő katasztrofális meghibásodástól, ami kisebb áramköri veszteségeket és kisebb alkatrészméreteket eredményez.

A szilíciumkarbid átütési feszültsége a szénüres helyek koncentrációjától függ, amely szénion-implantációval, majd 1500-1700°C-os termikus oxidációval vagy Ar-oxidációval és 1500-1770°C-os termikus oxidációval szabályozható. Ez az eljárás biztosítja, hogy az eszközökben a szénüresedés-sűrűség elég alacsony maradjon ahhoz, hogy hosszú hordozó élettartamot és magas átütési feszültséget biztosítson.

2. Nagy hővezető képesség

A szilíciumkarbid az egyik legkeményebb ismert anyag, amely kiváló korrózióállósággal rendelkezik, így akár 1400 fokos hőmérsékletet is kibír. Szilíciumkarbidot szilárdságának köszönhetően gépjárműfékekben és tengelykapcsolókban, valamint golyóálló mellényekben használják; emellett csiszolóanyagokat és félvezetőket is gyártanak ebből az anyagból.

A szilícium-karbid félvezetők néhány kulcsfontosságú alkalmazásban, többek között a Schottky-diódákban (egyenirányítók a tápegységekben) és a FET-ekben/MOSFET-ekben (tranzisztorokban) hatékonyabban dolgozzák fel az elektromosságot, mint hagyományos társaik.

A szilícium-karbid chipek képesek magasabb üzemi hőmérsékletet elviselni, így különösen alkalmasak az elektromos járművek gyártói számára. Hőmérséklet-szabályozó képességük csökkenti az aktív hűtőrendszerektől való függőséget, amelyek súly- és költségtöbbletet jelentenek, és növelik a hatótávolságot, valamint a töltési időt.

3. Nagy teljesítménysűrűség

A szilícium-karbid a fizikai és elektronikus tulajdonságok érdekes kombinációja. Tiszta állapotában a szilícium-karbid elektromos szigetelőként viselkedik; szennyeződések szabályozott hozzáadásával azonban P-típusú vagy N-típusú félvezető anyaggá válhat. P-típusú eszközök alumínium, bór, gallium vagy nitrogén szennyeződésekkel történő adalékolással hozhatók létre; N-típusú eszköz esetén a nitrogén és foszfor szennyeződések N-típusú eszközöket eredményeznek - vagy akár szupravezetés elérése érdekében is adalékolható!

A kormányok által a károsanyag-kibocsátás csökkentésére gyakorolt nyomás és az elektromos járművek növekvő népszerűsége megnövelte a nagyfeszültségen működő teljesítménykomponensek iránti keresletet, ami hozzájárult a szilícium-karbid és a széles sávszélességű anyagok, például a gallium-nitrid felhasználásának fellendüléséhez.

A szilícium-karbid chipek kisebb feszültségellenállást biztosítanak, mint szilíciumból készült társaik, így kisebb méretű, kisebb súlyú és energiaveszteségű eszközök hozhatók létre. A vasúti közlekedési alkalmazásokban alkalmazva a kisebb alapterületű, hatékonyabb eszközök használata segíthet a teljesítménysűrűség növelésében, miközben növeli a teherbíró képességet, és ezzel párhuzamosan csökkenti az üzemeltetési költségeket. A Mitsubishi Electric nemrégiben kifejlesztett egy 6,5 kV-os teljes SiC teljesítményű félvezető modult, amely állításuk szerint a világon a legnagyobb teljesítménysűrűségű mind a feszültség, mind az áram névleges szintjén.

4. Magas hőmérsékleti stabilitás

A szilícium-karbid félvezetők élettartama 500C hőmérsékleten is meghosszabbodik, így alkalmasak napelemes alkalmazásokhoz, valamint olyan energiaellátó eszközökhöz, amelyeknek a szilíciumnál magasabb hőmérsékletet kell elviselniük. A szilícium-karbid a szilíciumhoz képest jobban bírja a magasabb hőmérsékleteket is.

A szilíciumkarbid alumíniummal és bórral történő dózisa P-típusú félvezetőket hoz létre, míg a nitrogén és foszfor N-típusú szilíciumkarbidokat eredményez.

A szilícium-karbid tranzisztorok és FET-ek előnye a széles tiltott sáv és a nagy kritikus elektromos átütési tér, így kiválóan alkalmasak nagy feszültségek kezelésére, csökkentett bekapcsolt állapotú ellenállás és kapcsolási veszteségek mellett. Továbbá az IGBT-khez vagy bipoláris tranzisztorokhoz képest kis méretük sokkal jobb hőmérséklet-tűrési képességet, valamint nagyobb megbízhatóságot biztosít szélesebb hőmérséklettartományban.

A befektetők felfigyeltek a szilícium-karbid chipek gyártóinak, például az Infineonnak, az ON Semiconductornak és a Wolfspeednek a növekedési potenciáljára. Teljesítmény félvezetőik többek között az elektromos járművekben, a napenergia átalakításában és az 5G vezeték nélküli technológiában találhatók meg.

5. Magas energiahatékonyság

A szilícium-karbid chipek jobb teljesítményt nyújtanak, mint a hagyományos szilícium eszközök, például az IGBT-k és a bipoláris tranzisztorok, mint például az IGBT-k. Megbízhatóbban működnek magasabb átütési feszültségek mellett, miközben csökkentett bekapcsolási ellenállással és kapcsolási veszteségekkel rendelkeznek.

Ezek az előnyök segítenek a SiC-alapú konstrukciókban csökkenteni a teljes rendszerköltséget, ami elengedhetetlen az energiatakarékos technológiák széles körű elterjedéséhez. A SiC-konstrukciók ezt a megtakarítást a kisebb rendszerméret és az alacsonyabb hűtési, passzív alkatrész- és kábelezési költségek révén érhetik el.

A szilícium-karbid egyedülálló tulajdonságai segítenek a jövőnk szempontjából kulcsfontosságú technológiák létrehozásában, különösen a nulla károsanyag-kibocsátású gazdaság felé való elmozdulás során. A Wolfspeed teljesítmény-félvezetők például 10%-tel növelhetik az elektromos járművek hatékonyságát, miközben 30%-tel gyorsabban segítik az akkumulátorok töltését.

A szilícium-karbid teljesítménychipek segítenek a világnak abban, hogy kevesebb energiával többet tudjon tenni, lehetővé téve számunkra, hogy továbbra is úgy éljük az életünket, ahogyan azt ismerjük. Ez teszi ezt a technológiát olyan izgalmassá - tagadhatatlan előnyei gyorsan széleskörű elterjedés felé terelik - izgalmas időszak, amikor egy teljesítmény félvezető úttörő technológia korai úttörőjének lehetünk!