Silisiumkarbidbrikker

Silisiumkarbidbrikker, også kjent som karborundum (eller bare SiC), har gjennomgått en utrolig forvandling innen kraftelektronikkindustrien. Som demningsmurer som åpnes og lukkes når det er nødvendig, leverer silisiumkarbidbrikker strøm som en uavbrutt kraftkilde til kraftelektronikkapplikasjoner.

Batteriteknologi for elbiler skal øke rekkevidden per lading, redusere ladetiden og forbedre den generelle effektiviteten.

1. Høy nedbrytningsspenning

SiC-brikker har dielektriske feltstyrker som er omtrent ti ganger større enn silisium, noe som gir dem svært høye gjennomslagsspenninger på 600 V eller til og med tusenvis av volt og dermed reduserer motstandskomponentene i kraftenheter.

Materialer med bredt båndgap, som silisiumkarbid, har vist seg å være uvurderlige når de brukes i kraftelektronikk, for eksempel i landbaserte elektriske kjøretøy og romfartssonder og -instrumenter, der silisiumhalvledere må tåle tøffe omgivelser med ekstremt høye spenninger. Denne fordelen har blitt enda viktigere etter at materialer med bredt båndgap, som silisiumkarbid, i økende grad har blitt tatt i bruk for å erstatte silisiumhalvledere.

Silisiumkarbidets høye bruddspenning gjør det mulig å konstruere mindre enheter uten frykt for katastrofale feil som følge av at en inkompatibel silisiumhalvlederenhet blir for mye forspent, noe som fører til mindre effekttap i kretser og mindre komponentdimensjoner.

Silisiumkarbidets gjennombruddsspenning avhenger av konsentrasjonen av karbonlekkasjer, som kan kontrolleres ved hjelp av karbonionimplantasjon etterfulgt av termisk oksidasjon ved 1500-1700 grader C eller Ar-glødning og termisk oksidasjon ved 1500-1770 grader C. Denne prosessen sikrer at tettheten av karbonlekkasjer i enhetene forblir lav nok til å sikre lang levetid og høy gjennomslagsspenning.

2. Høy varmeledningsevne

Silisiumkarbid er et av de hardeste materialene som finnes, med en enestående korrosjonsbestandighet som gjør at det tåler temperaturer på opptil 1400 °C. Takket være sin styrke brukes silisiumkarbid i bilbremser og -koblinger samt skuddsikre vester, og det brukes også i slipemidler og halvledere.

Halvledere av silisiumkarbid behandler elektrisitet mer effektivt enn sine tradisjonelle motstykker i noen viktige bruksområder, blant annet Schottky-dioder (likerettere i strømforsyninger) og FET-er/MOSFET-er (transistorer).

Silisiumkarbidbrikker tåler høyere driftstemperaturer, noe som gjør dem spesielt egnet for produsenter av elektriske kjøretøy. De temperaturregulerende egenskapene reduserer avhengigheten av aktive kjølesystemer, som gir ekstra vekt og kostnader, og øker både rekkevidden og ladetiden.

3. Høy effekttetthet

Silisiumkarbid er en spennende kombinasjon av fysiske og elektroniske egenskaper. I ren tilstand oppfører silisiumkarbid seg som en elektrisk isolator, men ved kontrollert tilsetning av urenheter kan det bli et halvledermateriale av enten P-type eller N-type. P-type enheter kan skapes ved doping med aluminium, bor, gallium eller nitrogenforurensninger, mens nitrogen- og fosforforurensninger gir N-type enheter - eller det kan til og med dopes for å oppnå superledningsevne!

Presset fra myndighetene om reduserte utslipp og den økende populariteten til elektriske kjøretøy har ført til en kraftig økning i etterspørselen etter kraftkomponenter som kan operere ved høye spenninger, noe som har bidratt til et oppsving i bruken av silisiumkarbid og materialer med bredt båndgap, som galliumnitrid.

Silisiumkarbidbrikker har lavere spenningsmotstand enn sine motstykker i silisium, noe som gjør det mulig å lage mindre enheter med redusert utstyrsvekt og energitap. I jernbanetransport kan mer effektive enheter med mindre fotavtrykk bidra til å øke effekttettheten og samtidig øke bæreevnen og redusere driftskostnadene. Mitsubishi Electric har nylig utviklet en 6,5 kV full-SiC-krafthalvledermodul med det de hevder er verdens høyeste effekttetthet på både spennings- og strømnivå.

4. Stabilitet ved høy temperatur

Halvledere av silisiumkarbid har forlenget levetid ved temperaturer på 500 °C, noe som gjør dem egnet for solcelleapplikasjoner og kraftforsyningsenheter som må tåle høyere temperaturer enn silisium. Silisiumkarbid tåler også høyere temperaturer bedre enn silisium.

Doping av silisiumkarbid med aluminium og bor gir halvledere av P-typen, mens nitrogen og fosfor gir silisiumkarbider av N-typen.

Transistorer og FET-er i silisiumkarbid har et bredt forbudt bånd og et høyt kritisk elektrisk felt, noe som gjør dem godt egnet til å håndtere høye spenninger med redusert on-state-motstand og koblingstap. I tillegg er de små sammenlignet med IGBT-transistorer og bipolare transistorer, noe som gir mye bedre temperaturtoleranse og større pålitelighet over et bredere temperaturområde.

Investorene har fått øynene opp for vekstpotensialet hos produsenter av silisiumkarbidbrikker som Infineon, ON Semiconductor og Wolfspeed. Halvlederne deres brukes blant annet i elektriske kjøretøy, solenergikonvertering og 5G trådløs teknologi.

5. Høy energieffektivitet

Silisiumkarbidbrikker har overlegen ytelse i forhold til tradisjonelle silisiumkomponenter som IGBT-er og bipolare transistorer. De fungerer mer pålitelig ved høyere gjennomslagsspenninger, samtidig som de har redusert innkoblingsmotstand og koblingstap.

Disse fordelene bidrar til at SiC-baserte konstruksjoner reduserer de totale systemkostnadene, noe som er avgjørende for at energieffektive teknologier skal kunne tas i bruk i stor skala. SiC-design kan oppnå disse besparelsene gjennom mindre systemstørrelse og lavere utgifter til kjøling, passive komponenter og kabling.

Silisiumkarbidens unike egenskaper bidrar til å skape banebrytende teknologier for fremtiden, særlig når vi beveger oss mot en økonomi med netto nullutslipp. Wolfspeed-halvledere kan for eksempel øke effektiviteten til elektriske kjøretøy med 10%, samtidig som batteriene lades 30% raskere.

Silisiumkarbid-kraftbrikker hjelper verden med å gjøre mer med mindre energi, slik at vi kan fortsette å leve våre liv slik vi kjenner dem. Det er det som gjør denne teknologien så spennende - dens ubestridelige fordeler gjør at den raskt blir tatt i bruk i stor skala - det er en spennende tid å være en av pionerene innen en pionerteknologi for krafthalvledere!