Halvleder av silisiumkarbid

Halvledere av silisiumkarbid har slått gjennom innen kraftelektronikk. På grunn av sine eksepsjonelle fysiske og elektroniske egenskaper, som gjør at de tåler høyere spenninger og temperaturer enn silisiumkomponenter, er halvledere av silisiumkarbid i ferd med å erstatte tradisjonelle silisiumkomponenter som en uunnværlig erstatning.

Allegro Microsystems utvikler innovative løsninger som bidrar til en sikrere og mer bærekraftig fremtid for menneskeheten. Produktene deres omfatter sensor- og strømløsninger for motorstyringsapplikasjoner.

Elektroniske enheter med høy effekt

Halvlederkomponenter av silisiumkarbid har raskt blitt det foretrukne valget for elektroniske systemer med høy effekt. Fordelene for systemdesignere og -produsenter er mange, for eksempel høyere gjennombruddsspenning, redusert termisk motstand og raskere koblingshastigheter, noe som fører til mindre formfaktorer med økt energieffektivitet - nøkkelelementer i kraftelektronikkapplikasjoner. I tillegg kan SiC-enheter redusere systemvekten betraktelig, samtidig som de eliminerer kjølesystemer som tar opp plass og bruker betydelig mindre strøm enn alternativene.

Silisiumkarbid (SiC), som består av silisium- og karbonatomer ordnet heksagonalt, er en ekstremt sterk kjemisk forbindelse med sin heksagonale struktur som tåler høyere elektriske felt enn silisium alene - faktisk tåler det opptil 10 ganger mer strøm før det bryter sammen på grunn av det bredere båndgapet, som gjør at elektronene kan bevege seg friere fra valensbåndet til ledningsbåndet.

Halvledere av silisiumkarbid har et bredt båndgap som gjør at de kan svitsje ti ganger raskere enn tradisjonelle silisiumtransistorer, noe som muliggjør mindre kontrollkretser og redusert energitap under drift. Den lavere turn-on-motstanden gjør det også mulig å bruke dem ved høyere temperaturer, samtidig som påliteligheten og energieffektiviteten forbedres - fordeler som driver veksten i markedet for silisiumkarbidhalvledere over hele verden.

Energieffektivitet

Halvlederkomponenter av silisiumkarbid blir stadig mer energieffektive, noe som gjør at de kan operere ved høyere hastigheter med redusert varmeproduksjon, og dermed redusere den totale materialkostnaden (BOM). Dette gjør det mulig for datasentre å spare penger og samtidig redusere energiforbruket, noe som har ført til en dramatisk økning i etterspørselen etter SiC-enheter.

Silisiumkarbid har et stort driftstemperaturområde, lavt koblingstap og indirekte båndgap - egenskaper som gjør det til det ideelle materialet for høyhastighets elektroniske brytere. Silisiumkarbid er dessuten slitesterkt, slik at det tåler høyere spenninger og strømmer uten å bli utslitt. Det kompakte materialet gjør det dessuten velegnet til kraftelektronikkapplikasjoner som omformere for elektriske kjøretøy.

Disse fordelene gjør det mulig å erstatte IGBT-er som brukes i elbiler, med mindre og mer energieffektive enheter som tåler høyere driftstemperaturer - noe som revolusjonerer kjøreopplevelsen og reduserer CO2-utslippene. Denne revolusjonerende teknologien endrer måten vi kjører elbil på og reduserer utslippene.

EAG Laboratories har lang erfaring med å analysere halvledere av silisiumkarbid ved hjelp av både bulk- og romlig oppløste analyseteknikker for å analysere kvaliteten, som inkluderer dopingstoffer som nitrogen, fosfor, aluminium, gallium og beryllium, konsentrasjon av dopingstoffer og romlig distribusjonsanalyse for å sikre at kundene våre kun mottar førsteklasses produkter som inneholder minimalt med forurensninger som kan kompromittere enhetens pålitelighet eller overflateintegritet.

Motstand mot høye temperaturer

Silisiumkarbid (SiC) er en sterk og stabil kjemisk forbindelse som består av silisium og karbon. Med en sekskantet atomstruktur og halvlederegenskaper med bredt båndgap gir SiC sterk kjemisk stabilitet ved høye temperaturer. På grunn av det brede båndgapet krever det mer energi for elektronene å bevege seg fra valensbåndet til ledningsbåndet, noe som gjør SiC ideelt for å lage enheter som fungerer ved høye temperaturer.

På grunn av økt etterspørsel etter elektroniske enheter med høy kapasitet, særlig i elektriske kjøretøy og fornybare energisystemer, har markedet for halvledere av silisiumkarbid nådd nye høyder. På grunn av sine unike termiske og elektriske egenskaper er SiC et utmerket valg for strømstyringsapplikasjoner.

Silisiumkarbid skiller seg ut blant konkurrentene på grunn av sin motstandskraft mot høye temperaturer. Mens konvensjonelle silisium-IC-er brytes ned rundt 550 °C, har forskere ved Case Western Reserve University testet SiC-logikkbrikker ved denne temperaturen. Suksessen kan bane vei for fremtidige elektroniske enheter som er konstruert for å fungere under tøffe forhold, for eksempel i jetmotorer eller dype oljebrønner, og til og med på romferder på varme planeter som Venus.

Et av kjennetegnene ved halvledere er deres evne til å håndtere store mengder strøm ved svært høye hastigheter, noe som er avgjørende i mange bruksområder, spesielt radiofrekvensoverføring. RF-kommunikasjon krever bruk av svært høy effekt for dataoverføring, noe som fører til betydelig høyere temperaturer. Silisiumkarbid har et bredt båndgap som gjør at det tåler nesten ti ganger høyere elektriske felt enn tradisjonelt silisium.

Lav motstand ved påslåing

Silisiumkarbid er et avansert halvledermateriale med betydelige fordeler sammenlignet med silisiumbaserte enheter, blant annet forbedret effektkonverteringseffektivitet, høyere driftstemperaturer og spenningstoleranse, reduserte tap og høyere temperatur-/spenningsresistens - egenskaper som gjør det egnet som et erstatningsalternativ i bruksområder som ladestasjoner for elbiler, sol-/vindkraftsystemer, datasentre, industrielle drivenheter osv.

Silisiumkarbid i ren form fungerer som en elektrisk isolator, men ved å tilsette kontrollerte urenheter, såkalte dopingstoffer, kan det endres slik at det oppfører seg som enten en p-type eller en n-type halvleder. Dopingsstoffer som aluminium, bor, gallium og nitrogen gjør det lettere å lede elektrisitet under visse forhold - men for å sikre at de riktige konsentrasjonene av dopingsstoffer finnes, må et laboratorium gjennomføre omfattende tester.

Silisiumkarbid har flere fordeler i forhold til silisium, blant annet en betydelig høyere gjennombruddsspenning - opptil 10 ganger høyere enn silisium - som gjør det mulig å lage mindre enheter med lavere effekttap og raskere koblingshastigheter, noe som fører til raskere styrekretser med mindre tap. I tillegg er koblingshastigheten omtrent 10 ganger høyere.

Silisiumkarbidens fordeler gjør at den brukes i en rekke strømstyringsapplikasjoner, fra vekselrettere i elbil-ladere og batteridrevne motorer til batterikonvertere som brukes i energieffektivitetsoppgraderinger i en rekke ulike applikasjoner. Etter hvert som mer elektrisk energi tas i bruk over hele verden, vil kraftomformere av silisiumkarbid spille en stadig viktigere rolle når det gjelder å øke effektiviteten på mange bruksområder.