Silīcija karbīda mikroshēmas

Silīcija karbīda mikroshēmas, pazīstamas arī kā karborunds (vai vienkārši SiC), ir piedzīvojušas neticamas pārmaiņas energoelektronikas nozarē. Līdzīgi aizsprostu sienām, kas atveras un aizveras, kad nepieciešams, silīcija karbīda mikroshēmas piegādā strāvu kā nepārtraukts enerģijas avots energoelektronikas lietojumiem.

Elektrotransportlīdzekļu akumulatoru tehnoloģijām būtu jāpalielina nobraukšanas attālums ar vienu uzlādi, jāsamazina uzlādes laiks un jāuzlabo kopējā efektivitāte.

1. Augsts sadalīšanās spriegums

SiC mikroshēmām piemīt dielektriskā sadalījuma elektriskā lauka stiprums, kas ir aptuveni 10 reizes lielāks nekā silīcija, nodrošinot tām ļoti augstu sadalījuma spriegumu 600 V vai pat tūkstošiem voltu un tādējādi samazinot pretestības komponentus enerģijas ierīcēs.

Tādi platjoslas materiāli kā silīcija karbīds ir izrādījušies nenovērtējami, ja tos izmanto energoelektronikas lietojumos, piemēram, sauszemes elektriskajos transportlīdzekļos un kosmosa izpētes zondēs un instrumentos, kur silīcija pusvadītājiem ir jāiztur skarbas vides ar ļoti augstu spriegumu. Šī priekšrocība ir kļuvusi vēl svarīgāka, jo platjoslas materiāli, piemēram, silīcija karbīds, arvien vairāk tiek izmantoti silīcija pusvadītāju aizstāšanai.

Silīcija karbīda augstais pārrāvuma spriegums ļauj projektēt mazākas ierīces, nebaidoties no katastrofālas kļūmes, kas rodas, pārāk daudz pārsliecinot nesaderīgu silīcija pusvadītāju ierīci, tādējādi panākot mazākus jaudas zudumus ķēdēs un mazākus komponentu izmērus.

Silīcija karbīda sadalīšanās spriegums ir atkarīgs no oglekļa vakanču koncentrācijas, ko var kontrolēt, izmantojot oglekļa jonu implantāciju, kam seko termiskā oksidēšana 1500-1700 grādos pēc Celsija, vai Ar atlaidināšanu un termisko oksidēšanu 1500-1770 grādu temperatūrā. Šis process nodrošina, ka oglekļa vakanču blīvums ierīcēs ir pietiekami zems, lai nodrošinātu ilgu nesēju kalpošanas laiku un augstu sadalīšanās spriegumu.

2. Augsta siltuma vadītspēja

Silīcija karbīds ir viens no cietākajiem zināmajiem materiāliem ar izcilu izturību pret koroziju, kas ļauj tam izturēt temperatūru līdz pat 1400 grādiem pēc Celsija. Pateicoties tā izturībai, silīcija karbīdu izmanto automobiļu bremzēs un sajūgos, kā arī ložu necaurlaidīgās vestēs; turklāt no šī materiāla ražo abrazīvus materiālus un pusvadītājus.

Silīcija karbīda pusvadītāji apstrādā elektroenerģiju daudz efektīvāk nekā to tradicionālie analogi dažos galvenajos lietojumos, tostarp Šotkija diodēs (taisngrieži barošanas avotos) un FET/MOSFET (tranzistori).

Silīcija karbīda mikroshēmas spēj izturēt augstākas darba temperatūras, tāpēc tās ir īpaši piemērotas elektrisko transportlīdzekļu ražotājiem. To spēja kontrolēt temperatūru samazina atkarību no aktīvām dzesēšanas sistēmām, kas palielina svaru un izmaksas, palielinot braukšanas diapazonu un uzlādes laiku.

3. Augsts jaudas blīvums

Silīcija karbīds ir intriģējoša fizikālo un elektronisko īpašību kombinācija. Tīrā veidā silīcija karbīds ir elektriskais izolators, tomēr, kontrolēti pievienojot piemaisījumus, tas var kļūt par P vai N tipa pusvadītāju materiālu. P tipa ierīces var izveidot, pievienojot alumīnija, bora, gallija vai slāpekļa piemaisījumus; N tipa ierīces ar slāpekļa un fosfora piemaisījumiem var izveidot N tipa ierīces - vai pat to var dopēt, lai iegūtu supravadītspēju!

Valdību spiediens samazināt emisijas un pieaugošā elektrisko transportlīdzekļu popularitāte ir radījusi strauju pieprasījuma pieaugumu pēc enerģijas komponentiem, kas var darboties ar augstu spriegumu, kas ir veicinājis silīcija karbīda un platjoslas materiālu, piemēram, gallija nitrīda, izmantošanas pieaugumu.

Silīcija karbīda mikroshēmas nodrošina zemāku sprieguma pretestību nekā to silīcija analogi, kas ļauj radīt mazākas ierīces ar samazinātu iekārtu svaru un enerģijas zudumiem. Piemērojot dzelzceļa tranzīta lietojumiem, efektīvāku ierīču ar mazāku izmēriem izmantošana var palīdzēt palielināt enerģijas blīvumu, vienlaikus palielinot kravnesību un samazinot ekspluatācijas izmaksas. Mitsubishi Electric nesen izstrādāja 6,5 kV pilnībā SiC jaudas pusvadītāju moduli ar, kā apgalvo, pasaulē augstāko jaudas blīvumu gan sprieguma, gan strāvas nominālajā līmenī.

4. Augstas temperatūras stabilitāte

Silīcija karbīda pusvadītāju kalpošanas laiks ir pagarināts 500C temperatūrā, tāpēc tie ir piemēroti saules enerģijas lietojumiem, kā arī enerģijas ierīcēm, kurām jāiztur augstākas temperatūras nekā silīcijam. Salīdzinājumā ar silīciju silīcija karbīds arī labāk iztur augstāku temperatūru.

Silīcija karbīda piejaukšana ar alumīniju un boru rada P tipa pusvadītājus, savukārt slāpekļa un fosfora piejaukšana rada N tipa silīcija karbīdus.

Silīcija karbīda tranzistoriem un FET ir plaša aizliegtā josla un augsts kritiskais sadalīšanās elektriskais lauks, tāpēc tie ir labi piemēroti darbam ar augstiem spriegumiem ar samazinātu ieslēgtā stāvokļa pretestību un komutācijas zudumiem. Turklāt to mazie izmēri salīdzinājumā ar IGBT vai bipolāriem tranzistoriem nodrošina daudz labāku temperatūras toleranci, kā arī lielāku uzticamību plašākā temperatūras diapazonā.

Investori ir pamanījuši izaugsmes potenciālu, ko piedāvā silīcija karbīda mikroshēmu ražotāji, piemēram, Infineon, ON Semiconductor un Wolfspeed. To ražotie enerģijas pusvadītāji, cita starpā, tiek izmantoti elektriskajos transportlīdzekļos, saules enerģijas pārveidē un 5G bezvadu tehnoloģijās.

5. Augsta energoefektivitāte

Silīcija karbīda mikroshēmas nodrošina augstāku veiktspēju nekā tradicionālās silīcija ierīces, piemēram, IGBT un bipolārie tranzistori, piemēram, IGBT. Tie darbojas drošāk pie augstākiem pārrāvuma spriegumiem, vienlaikus tiem ir mazāka ieslēgšanās pretestība un komutācijas zudumi.

Šīs priekšrocības palīdz uz SiC balstītām konstrukcijām samazināt kopējās sistēmas izmaksas, kas ir būtiski energoefektīvu tehnoloģiju plašākai ieviešanai. SiC konstrukcijas var panākt šo ietaupījumu, pateicoties mazākam sistēmas izmēram un zemākām dzesēšanas, pasīvo komponentu un vadu izmaksām.

Silīcija karbīda unikālās īpašības palīdz radīt tehnoloģijas, kas mainīs mūsu nākotni, jo īpaši, virzoties uz ekonomiku, kuras neto emisijas ir nulle. Piemēram, Wolfspeed enerģijas pusvadītāji var palielināt elektrisko transportlīdzekļu efektivitāti par 10%, vienlaikus palīdzot akumulatoriem uzlādēties 30% ātrāk.

Silīcija karbīda enerģijas mikroshēmas palīdz pasaulei paveikt vairāk ar mazāku enerģijas patēriņu, ļaujot mums turpināt dzīvot savu ierasto dzīvi. Tieši tas padara šo tehnoloģiju tik aizraujošu - tās nenoliedzamās priekšrocības strauji virza to uz plašu izplatību - aizraujošs laiks, lai būtu enerģijas pusvadītāju tehnoloģijas pionieris!