Silisiumkarbid-transistor

Silisiumkarbid (SiC) er en inert kjemisk forbindelse med egenskaper som ligner på halvledere. Ved å tilsette nøye utvalgte urenheter kan SiC lettere omdannes til å oppføre seg som en halvleder enn tradisjonelt silisium. SiCs brede båndgap gjør det mulig å flytte elektrisk energi mer effektivt enn silisium.

SiC-transistorer har betydelige fordeler sammenlignet med IGBT- og silisium-MOSFET-transistorer, blant annet høyere blokkeringsspenninger, redusert on-state-motstand og bedre temperaturytelse sammenlignet med sine motstykker, noe som gjør det mulig å realisere strømomformerløsninger som tidligere var umulige eller upraktiske.

Høy nedbrytningsspenning

Silisiumkarbid (SiC), med sin overlegne elektriske feltstyrke, gjør det mulig å bruke krafthalvledere som leverer mye høyere spenning enn de silisiumbaserte motstykkene. Dette gir flere fordeler som gjør SiC til et attraktivt valg for neste generasjons kraftkomponenter.

En av de viktigste fordelene med kraftelektronikkomponenter laget av silisiumnanotråd er at de tåler forbigående spenningstopper, eller stress, uten at det oppstår uforutsigbar ledning og potensielt katastrofale feil. Dette gjør at disse kraftelektronikkomponentene kan klassifiseres mye høyere enn tilsvarende komponenter i silisium, for eksempel IGBT-transistorer (Insulated Gate Bipolar Transistors) og standard MOSFET-enheter.

SiC er kjent for å skape enheter med mye lavere på-motstand enn sine motstykker i silisium, på grunn av den høye blokkeringsspenningen. Dette oppnås ved å utnytte hurtigkoblende unipolare enheter i stedet for konvensjonelle bipolare IGBT-transistorer (Insulated Gate Bipolar Transistors), noe som gir raskere koblingsfrekvens og lavere strømforbruk og dermed større energibesparelser for sluttbrukerne.

SiC MOSFET-er gjør også dette mulig på grunn av den høye strømtettheten, som kan økes ved bruk av skadede termineringslag som forbedrer kontureringen av utarmingslaget og reduserer de elektriske feltene i enhetene. I tillegg bidrar et n-dopet kanalområde som strekker seg fra kildeområdet til kanalinnsatsen, til lav på-motstand i enhetene.

SiC-strømforsyninger har svært tynne driftlag, noe som ytterligere bidrar til å redusere på-motstanden per arealenhet. Motstandskomponentene i den totale påslåingsmotstanden bestemmes av dopingkonsentrasjonen og tykkelsen på driftlaget, så hvis man reduserer begge deler, kan man redusere den totale påmotstanden i enhetene betydelig. SiC er et ideelt materiale for å skape nye generasjoner av kraftkomponenter med uovertruffen spennings-, strøm- og energieffektivitet - for eksempel Schottky-dioder, PiN-dioder og hybride IGBT/MOSFET-er som gir imponerende spennings-, strøm- og energieffektivitet i bruksområder der det er nødvendig med høyspennings-/høytemperaturdrift. Dette gjør SiC til et uvurderlig materiale når det brukes i krafthalvlederapplikasjoner som krever drift ved høyere spennings-/temperaturforhold.

Lav på-motstand

Silisiumkarbid er velkjent for sin hardhet og bruk som slipemiddel i produksjon av industrielle verktøy som bremseskiver til kjøretøy, smøremidler til biler og diamanterstatninger, men i den senere tid har det også blitt et innovativt halvledermateriale med egenskaper som kan gi nye ytelsesnivåer i ulike elektroniske kretsdesign. En av disse egenskapene er at det tåler ekstremt høye spenninger, noe som gjør det velegnet til bruk i kraftelektronikk.

SiCs kritiske elektriske feltstyrke er omtrent ti ganger så høy som for tradisjonell silisiumteknologi, noe som gjør det mulig å produsere SiC MOSFET-er med driftsspenninger på opptil 1,5 kV - noe som langt overgår det som kan oppnås med konvensjonelle IGBT-er eller bipolare transistorer.

En viktig egenskap ved silisiumkarbid, som gjør at enheter konstruert av dette materialet tåler høyere spenninger, er at det har en betydelig lavere på-motstand enn silisium. Dette gjør det mulig å slå av og på ved lavere strømnivåer, noe som gir mindre varmespredning og bedre effektivitet.

Silisiumkarbidtransistorer har lav på-motstand fordi materialet har ekstremt høy varmeledningsevne, noe som gjør at det kan lede bort varme mer effektivt enn silisium og dermed muliggjøre høyspenningsapplikasjoner uten å måtte bekymre seg for varmeskader som kan gå på bekostning av bruken.

SiC MOSFET-er skiller seg ut som overlegne enheter på grunn av raskere koblingshastigheter og lavere tap på systemnivå, noe som bidrar til å øke effektiviteten ved energiomforming ved høyere frekvenser.

Silisiumkarbid har revolusjonert kraftelektronikken med sin kombinasjon av fordeler, og gir enheter som kan øke energieffektiviteten og effekttettheten for motorstyring, omformere og strømforsyninger. Wolfspeed tilbyr 1000 V MOSFET-er i silisiumkarbid som er spesielt optimalisert for hurtigkoblingsapplikasjoner, noe som gjør dem egnet for elbiler, industrielle strømforsyninger, solenergisystemer og applikasjoner for fornybar energi.

Drift ved høy temperatur

I kraftelektronikkapplikasjoner er man ofte avhengig av transistorer i silisiumkarbid, som kan brukes ved høye temperaturer for å oppnå maksimal systemeffektivitet. Dette gjør det mulig for konstruktører å bruke enheter ved temperaturer, spenninger og frekvenser som ellers ville vært umulig med tradisjonelle silisiumbaserte halvledere. Resultatet er at silisiumkarbid gjør det mulig å konstruere enheter med redusert energitap, høyere koblingsfrekvenser, lavere totalt effektforbruk og høyere systemeffektivitet enn noen gang tidligere.

SiC har eksepsjonelle materialegenskaper som gjør det mulig å fylle denne rollen ved å kombinere høy blokkeringsspenning med lav innkoblingsmotstand i en unipolar enhet, noe som gjør den egnet for løsninger som krever raske koblingstider i høyeffektsmiljøer. Ved å oppnå en slik ytelse i en unipolar halvleder kan man også eliminere IGBT-er eller bipolare transistorer helt og holdent, noe som gir betydelige fordeler for applikasjonsdesignere over hele verden.

Silisiumkarbid har et bredt båndgap som gjør at komponentene kan kjøre mer effektivt ved høyere driftstemperaturer. Sammenlignet med konvensjonelt silisium, som vanligvis har en båndgap på rundt 1,12 eV, kan silisiumkarbid skilte med mer enn tre ganger så høye verdier på rundt 3,26 eV, noe som betyr at silisiumkarbidkomponenter kan håndtere over ti ganger så høye effektnivåer, doble spenningsnivåer og fire ganger så høy frekvens sammenlignet med sine silisiumbaserte motstykker.

Silisiumkarbid kan brukes ved høye temperaturer, noe som gjør det egnet for mer krevende industri- og transportapplikasjoner, der påliteligheten til elektrisk utstyr er av største betydning. Forskning på varmebestandige integrerte logiske kretser laget av silisiumkarbid kan gjøre det mulig for sensorer i jetmotorer, oljebrønner, dype romferder og andre miljøer å behandle data raskere og mer pålitelig enn tradisjonelle enheter uten lange ledninger som kan gå i stykker, eller komplekse kjølemekanismer.

Det er utfordrende å produsere silisiumkarbidbrikker av høy kvalitet på grunn av hvordan det krystalliserer i flere polytyper. Det er svært krevende å produsere store enkeltkrystallskiver for SiC-baserte kraftkomponenter, men det er mulig ved hjelp av avanserte ALD-vekstprosesser (Atomic Layer Deposition).

En viktig faktor for vellykket ytelse for SiC-enheter med høy temperatur er å kontrollere både konsentrasjonen og fordelingen av urenheter, som påvirker både de elektrotermiske egenskapene og gjennomslagsspenningskapasiteten. EAG Laboratories har inngående kunnskap om silisiumkarbidmaterialer, med ekspertise i å utføre både bulk- og romlig oppløste analyseteknikker for å verifisere riktig dopingkonsentrasjon/-distribusjon for å oppnå maksimal ytelse på enheten.

Lave koblingstap

Silisiumkarbid (SiC) er et nytt halvledermateriale med bredt båndgap som vurderes som et alternativ til silisium i kraftelektronikk, særlig i kraftomformere og instrumenter som brukes i elektriske kjøretøy eller romsonder (Mantooth, Zetterling og Rusu). SiCs brede båndgap gjør det mulig å utkonkurrere tradisjonelt silisium på mange områder, samtidig som det gir spesifikke fordeler i forhold til den billigere konkurrenten. Silisium er generelt det foretrukne halvledermaterialet i kraftelektronikk, men SiC har flere klare fordeler som rettferdiggjør de høyere kostnadene i krevende anvendelser, for eksempel i kraftomformere i landbaserte elektriske kjøretøyer eller romutforskningsutstyr (Mantooth, Zetterling og Rusu).

Silisiumkarbidkomponenter utkonkurrerte tilsvarende silisiumkomponenter ved å fungere ved høyere temperaturer, ha større blokkeringsspenning og gi reduserte koblingstap. I tillegg muliggjorde den høye frekvensen raskere koblingsfrekvenser, noe som til syvende og sist reduserte størrelsen og vekten på komponenter og systemer og forbedret effekttettheten. SiC-transistorenes lave koblingstap gjør at de sømløst kan innlemmes i eksisterende design uten at det kreves større omkonstruksjoner, noe som gir raskere utviklingstider og samtidig bidrar til å redusere materialkostnadene betydelig.

Svitsjetap skyldes spenningsfall og gjenopprettingstider i MOSFET-dioder når strømkonverteringsenheter slås av eller på, noe som fører til at mye energi går til spille. SiC-enheter gir betydelig reduserte koblingstap og høyere effektivitet sammenlignet med tilsvarende enheter i silisium, og kan derfor brukes i nye strømkonverteringsdesign.

N-kanals SiC MOSFET-er med forsterkningsmodus er konstruert og behandlet på samme måte som sine motstykker i silisium, med tilsvarende ytelse for mange strømkonverteringsapplikasjoner. De kan enkelt integreres i konvensjonelle AC/DC-omformertopologier, samtidig som de passer godt sammen med SiC-dioder for å øke påliteligheten og redusere de totale systemtapene.

UnitedSiCs tilnærming til ytelsesoptimalisering omfatter optimalisering av enhetsstruktur, parasitter og gate on-off-motstand for å kunne levere en effektiv løsning som er kompatibel med eksisterende designflyter. Ved å bruke små snubbere og optimalisere gate on-off-motstandene har de klart å oppnå bedre kontroll over dV/dt, overshoots og ringing enn det som ellers ville vært mulig bare ved å øke gatemotstanden alene.