Chipy z węglika krzemu

Chipy z węglika krzemu, znane również jako karborund (lub po prostu SiC), przeszły niesamowitą transformację w branży energoelektroniki. Podobnie jak ściany zapory, które otwierają się i zamykają w razie potrzeby, chipy z węglika krzemu dostarczają prąd jako nieprzerwane źródło zasilania do zastosowań energoelektronicznych.

Technologie akumulatorów pojazdów elektrycznych powinny zwiększyć zasięg jazdy na jednym ładowaniu, skrócić czas ładowania i poprawić ogólną wydajność.

1. Wysokie napięcie przebicia

Chipy SiC charakteryzują się natężeniem pola elektrycznego przebicia dielektrycznego około 10 razy większym niż krzem, co daje im bardzo wysokie napięcia przebicia 600 V lub nawet tysiące woltów, a tym samym zmniejsza elementy rezystancyjne w urządzeniach zasilających.

Materiały o szerokim paśmie wzbronionym, takie jak węglik krzemu, okazały się nieocenione w zastosowaniach energoelektronicznych, takich jak naziemne pojazdy elektryczne oraz sondy i instrumenty do eksploracji kosmosu, gdzie półprzewodniki krzemowe muszą wytrzymywać trudne warunki z ekstremalnie wysokimi napięciami. Zaleta ta stała się jeszcze bardziej istotna, ponieważ materiały o szerokim paśmie przenoszenia, takie jak węglik krzemu, są coraz częściej stosowane w celu zastąpienia półprzewodników krzemowych.

Wysokie napięcie przebicia węglika krzemu umożliwia projektowanie mniejszych urządzeń bez obawy o katastrofalną awarię wynikającą z odwrotnego polaryzacji niekompatybilnego krzemowego urządzenia półprzewodnikowego, co prowadzi do mniejszych strat mocy w obwodach i mniejszych wymiarów komponentów.

Napięcie przebicia węglika krzemu zależy od stężenia wakansów węglowych, które można kontrolować poprzez implantację jonów węgla, a następnie utlenianie termiczne w temperaturze 1500-1700 stopni Celsjusza lub wyżarzanie Ar i utlenianie termiczne w temperaturze 1500-1770 stopni Celsjusza. Proces ten zapewnia, że gęstość wakancji węglowych w urządzeniach pozostaje wystarczająco niska, aby zapewnić długą żywotność nośników i wysokie napięcie przebicia.

2. Wysoka przewodność cieplna

Węglik krzemu jest jednym z najtwardszych znanych materiałów, o wyjątkowej odporności na korozję, która pozwala mu wytrzymać temperatury do 1400 stopni Celsjusza. Dzięki swojej wytrzymałości, węglik krzemu znajduje zastosowanie w hamulcach i sprzęgłach samochodowych, a także kamizelkach kuloodpornych; ponadto, materiały ścierne i półprzewodniki są produkowane przy użyciu tego materiału.

Półprzewodniki z węglika krzemu przetwarzają energię elektryczną wydajniej niż ich tradycyjne odpowiedniki w niektórych kluczowych zastosowaniach, w tym diody Schottky'ego (prostowniki w zasilaczach) i tranzystory FET/MOSFET (tranzystory).

Chipy z węglika krzemu są w stanie wytrzymać wyższe temperatury pracy, co czyni je szczególnie przydatnymi dla producentów pojazdów elektrycznych. Ich zdolność do kontrolowania temperatury zmniejsza zależność od aktywnych systemów chłodzenia, które zwiększają wagę i koszty, zwiększając zasięg jazdy, a także czas ładowania.

3. Wysoka gęstość mocy

Węglik krzemu stanowi intrygujące połączenie właściwości fizycznych i elektronicznych. W stanie czystym węglik krzemu zachowuje się jak izolator elektryczny; jednak poprzez kontrolowane dodawanie zanieczyszczeń może stać się materiałem półprzewodnikowym typu P lub N. Urządzenia typu P mogą być tworzone przez domieszkowanie aluminium, boru, galu lub azotu; w przypadku urządzeń typu N zanieczyszczenia azotem i fosforem dają urządzenia typu N - a nawet mogą być domieszkowane w celu osiągnięcia nadprzewodnictwa!

Presja ze strony rządów na ograniczenie emisji i rosnąca popularność pojazdów elektrycznych spowodowały gwałtowny wzrost popytu na komponenty zasilające, które mogą pracować przy wysokich napięciach, co przyczyniło się do wzrostu wykorzystania węglika krzemu i materiałów o szerokim paśmie przenoszenia, takich jak azotek galu.

Chipy z węglika krzemu oferują niższą rezystancję napięciową niż ich krzemowe odpowiedniki, umożliwiając tworzenie mniejszych urządzeń o zmniejszonej wadze i stratach energii. W zastosowaniach związanych z transportem kolejowym, wykorzystanie bardziej wydajnych urządzeń o mniejszej powierzchni może pomóc zwiększyć gęstość mocy przy jednoczesnym zwiększeniu nośności i obniżeniu kosztów operacyjnych. Firma Mitsubishi Electric opracowała niedawno moduł półprzewodnikowy o napięciu 6,5 kV wykonany w całości w technologii SiC, który - jak twierdzi - cechuje się najwyższą na świecie gęstością mocy zarówno na poziomie napięcia, jak i prądu znamionowego.

4. Stabilność w wysokich temperaturach

Półprzewodniki z węglika krzemu mają wydłużoną żywotność w temperaturach 500C, dzięki czemu nadają się do zastosowań solarnych, a także urządzeń zasilających, które muszą wytrzymywać wyższe temperatury niż krzem. Węglik krzemu jest również bardziej odporny na wyższe temperatury niż krzem.

Domieszkowanie węglika krzemu aluminium i borem tworzy półprzewodniki typu P, podczas gdy azot i fosfor dają węgliki krzemu typu N.

Tranzystory i tranzystory FET z węglika krzemu charakteryzują się szerokim pasmem zabronionym i wysokim krytycznym polem elektrycznym przebicia, dzięki czemu dobrze nadają się do obsługi wysokich napięć przy zmniejszonej rezystancji w stanie włączenia i stratach przełączania. Co więcej, ich niewielkie rozmiary w porównaniu do tranzystorów IGBT lub tranzystorów bipolarnych zapewniają znacznie lepszą tolerancję temperaturową, a także większą niezawodność w szerszym zakresie temperatur.

Inwestorzy zwrócili uwagę na potencjał wzrostu oferowany przez producentów chipów z węglika krzemu, takich jak Infineon, ON Semiconductor i Wolfspeed. Ich półprzewodniki mocy można znaleźć między innymi w pojazdach elektrycznych, konwersji energii słonecznej i technologii bezprzewodowej 5G.

5. Wysoka wydajność energetyczna

Chipy z węglika krzemu oferują lepszą wydajność niż tradycyjne urządzenia krzemowe, takie jak tranzystory IGBT i tranzystory bipolarne, takie jak IGBT. Działają one bardziej niezawodnie przy wyższych napięciach przebicia, przy jednoczesnym zmniejszeniu rezystancji włączenia i strat przełączania.

Zalety te pomagają projektom opartym na SiC obniżyć całkowity koszt systemu, co ma zasadnicze znaczenie dla powszechnego stosowania energooszczędnych technologii. Konstrukcje SiC mogą osiągnąć te oszczędności dzięki mniejszym rozmiarom systemu i niższym kosztom chłodzenia, komponentów pasywnych i okablowania.

Unikalne właściwości węglika krzemu pomagają w tworzeniu przełomowych technologii dla naszej przyszłości, zwłaszcza gdy zmierzamy w kierunku gospodarki o zerowej emisji netto. Na przykład półprzewodniki mocy Wolfspeed mogą zwiększyć wydajność pojazdów elektrycznych o 10%, jednocześnie pomagając akumulatorom ładować się o 30% szybciej.

Chipy zasilające z węglika krzemu pomagają światu robić więcej przy mniejszym zużyciu energii, umożliwiając nam kontynuowanie życia, jakie znamy. To właśnie sprawia, że ta technologia jest tak ekscytująca - jej niezaprzeczalne zalety szybko popychają ją do powszechnego zastosowania - to ekscytujący czas, aby być pionierem pionierskiej technologii półprzewodników mocy!