Węglik krzemu (SiC) jest obojętnym związkiem chemicznym o właściwościach podobnych do półprzewodników; po dodaniu starannie dobranych zanieczyszczeń, SiC można przekształcić tak, aby zachowywał się jak półprzewodnik łatwiej niż tradycyjny krzem. Szeroka przerwa pasmowa SiC pozwala mu przenosić energię elektryczną bardziej efektywnie niż jego krzemowy odpowiednik.
Tranzystory SiC oferują znaczące korzyści w porównaniu z tranzystorami IGBT i krzemowymi tranzystorami MOSFET, w tym wyższe napięcia blokowania, zmniejszoną rezystancję w stanie włączenia i lepszą wydajność temperaturową w porównaniu z ich odpowiednikami, dzięki czemu rozwiązania konwerterów mocy były wcześniej niemożliwe lub niepraktyczne.
Wysokie napięcie przebicia
Węglik krzemu (SiC), dzięki swojej doskonałej sile pola elektrycznego, umożliwia tworzenie półprzewodnikowych urządzeń mocy, które dostarczają znacznie wyższe napięcia niż ich krzemowe odpowiedniki. Wiąże się to z wieloma korzyściami, które sprawiają, że SiC jest atrakcyjnym wyborem dla urządzeń zasilających nowej generacji.
Jedną z głównych zalet komponentów energoelektronicznych wykonanych z nanodrutu krzemowego jest ich zwiększona tolerancja na przejściowe skoki napięcia lub naprężenia, bez doświadczania nieprzewidywalnego zachowania przewodzenia i potencjalnie katastrofalnej awarii. Dzięki temu te komponenty energoelektroniczne mogą być znacznie wyżej oceniane niż ich krzemowe odpowiedniki, takie jak tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) i standardowe urządzenia MOSFET mocy.
SiC jest znany z tworzenia urządzeń o znacznie niższej rezystancji włączenia niż ich krzemowe odpowiedniki, ze względu na wysokie napięcie blokowania. Osiąga się to poprzez wykorzystanie szybko przełączających się urządzeń unipolarnych zamiast konwencjonalnych tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT) w celu uzyskania szybszej częstotliwości przełączania i rozpraszania mocy, co skutkuje większą oszczędnością energii dla użytkowników końcowych.
Tranzystory SiC MOSFET również ułatwiają ten wyczyn ze względu na ich wysoką gęstość prądu, którą można zwiększyć poprzez zastosowanie uszkodzonych warstw końcowych, które poprawiają konturowanie warstwy zubożenia i zmniejszają pola elektryczne w ich urządzeniach. Co więcej, region kanału domieszkowanego typu n rozciągający się od regionu źródła do wkładki kanału ułatwia również niską rezystancję włączenia w tych urządzeniach.
Urządzenia SiC charakteryzują się bardzo cienkimi warstwami dryftu, co dodatkowo pomaga obniżyć rezystancję włączenia na jednostkę powierzchni. Komponenty rezystancji całkowitej rezystancji włączenia są określane przez koncentrację domieszkowania i grubość warstwy dryftu, więc zmniejszenie jednego z nich może znacznie obniżyć ogólną rezystancję włączenia urządzeń. SiC jest idealnym materiałem do tworzenia nowych generacji urządzeń zasilających, które oferują niezrównaną wydajność napięciową, prądową i energetyczną - takich jak diody Schottky'ego, diody PiN i hybrydowe tranzystory IGBT/MOSFET, które zapewniają imponujące napięcie, prąd i wydajność energetyczną w zastosowaniach, w których wymagana jest praca przy wysokim napięciu/w wysokiej temperaturze. Sprawia to, że SiC jest nieocenionym materiałem w zastosowaniach półprzewodników mocy wymagających pracy w warunkach wyższego napięcia/wysokiej temperatury.
Niska rezystancja włączenia
Węglik krzemu jest dobrze znany ze swojej twardości i zastosowania jako materiał ścierny w produkcji narzędzi przemysłowych, takich jak tarcze hamulcowe do pojazdów, smary samochodowe i zamienniki diamentów, ale ostatnio stał się również innowacyjnym materiałem półprzewodnikowym o właściwościach, które mogą odblokować nowy poziom wydajności w różnych projektach obwodów elektronicznych. Jednym z takich atrybutów jest jego zdolność do obsługi ekstremalnie wysokich napięć - dzięki czemu nadaje się do zastosowań w elektronice mocy.
Krytyczna siła przebicia pola elektrycznego SiC jest około 10 razy większa niż w przypadku tradycyjnej technologii krzemowej, dzięki czemu możliwe jest wytwarzanie tranzystorów SiC MOSFET o napięciu roboczym sięgającym 1,5 kV - znacznie przekraczającym wartości osiągane przez konwencjonalne tranzystory IGBT lub tranzystory bipolarne.
Jednym z kluczowych atrybutów węglika krzemu, który pozwala urządzeniom z niego zbudowanym wytrzymać wyższe napięcia, jest znacznie niższa rezystancja włączenia niż w przypadku krzemu. Umożliwia to przełączanie i wyłączanie przy niższych poziomach prądu, rozpraszając mniej ciepła i poprawiając wydajność.
Tranzystory z węglika krzemu charakteryzują się niską rezystancją włączenia, ponieważ ich materiał cechuje się wyjątkowo wysoką przewodnością cieplną, umożliwiając rozpraszanie ciepła bardziej efektywnie niż krzem, a tym samym umożliwiając zastosowania wysokonapięciowe bez obawy o uszkodzenia cieplne, które mogłyby zagrozić ich użyteczności.
Tranzystory SiC MOSFET wyróżniają się jako lepsze urządzenia ze względu na ich szybsze prędkości przełączania i niższe straty na poziomie systemu; pomaga to zwiększyć wydajność konwersji energii przy wyższych częstotliwościach.
Węglik krzemu zrewolucjonizował elektronikę mocy dzięki połączeniu swoich zalet, zapewniając urządzenia zdolne do zwiększenia wydajności energetycznej i gęstości mocy w sterowaniu silnikami, konwerterach i zasilaczach. Wolfspeed oferuje tranzystory MOSFET z węglika krzemu 1000 V specjalnie zoptymalizowane pod kątem szybkiego przełączania, dzięki czemu nadają się do pojazdów elektrycznych (EV), zasilaczy przemysłowych, systemów energii słonecznej i zastosowań związanych z energią odnawialną.
Praca w wysokich temperaturach
Zastosowania energoelektroniczne często opierają się na tranzystorach z węglika krzemu z ich możliwościami pracy w wysokich temperaturach dla maksymalnej wydajności systemu, ponieważ pozwala to projektantom na obsługę urządzeń w temperaturach, napięciach i częstotliwościach, które w przeciwnym razie byłyby niemożliwe w przypadku tradycyjnych półprzewodników na bazie krzemu. W rezultacie, węglik krzemu pozwala na projektowanie z mniejszymi stratami energii, wyższymi częstotliwościami przełączania, mniejszym całkowitym rozproszeniem mocy i większą wydajnością systemu niż kiedykolwiek wcześniej.
SiC zapewnia wyjątkowe właściwości materiałowe, które pozwalają mu spełniać tę rolę, łącząc wysokie napięcie blokowania z niską rezystancją włączenia w urządzeniu unipolarnym, dzięki czemu nadaje się do rozwiązań wymagających szybkich czasów przełączania w środowiskach o dużej mocy. Osiągnięcie takiej wydajności w półprzewodniku unipolarnym oznacza również całkowite wyeliminowanie tranzystorów IGBT lub tranzystorów bipolarnych, a tym samym oferuje znaczne korzyści projektantom aplikacji na całym świecie.
Szerokie pasmo wzbronione węglika krzemu pozwala komponentom pracować wydajniej w wyższych temperaturach roboczych. W porównaniu do konwencjonalnego krzemu, który zazwyczaj charakteryzuje się przerwą pasmową wynoszącą około 1,12eV, węglik krzemu może pochwalić się ponad trzykrotnie wyższymi wartościami wynoszącymi około 3,26eV; co oznacza, że urządzenia z węglika krzemu mogą obsługiwać ponad dziesięciokrotnie wyższe poziomy mocy, dwukrotnie wyższe poziomy napięcia i czterokrotnie wyższą częstotliwość w porównaniu do ich odpowiedników opartych na krzemie.
Działanie węglika krzemu w wysokich temperaturach sprawia, że nadaje się on do bardziej wymagających zastosowań przemysłowych i transportowych, gdzie niezawodność sprzętu elektrycznego ma ogromne znaczenie. Badania nad odpornymi na wysokie temperatury zintegrowanymi układami logicznymi wykonanymi z węglika krzemu mogą umożliwić czujnikom w silnikach odrzutowych, szybach naftowych, misjach kosmicznych i innych środowiskach przetwarzanie danych szybciej i bardziej niezawodnie niż tradycyjne urządzenia bez długich przewodów, które mogłyby się złamać lub złożonych mechanizmów chłodzenia.
Produkcja wysokiej jakości chipów z węglika krzemu jest trudna ze względu na sposób, w jaki krystalizuje on w wiele poliptypów. Produkcja dużych wafli monokrystalicznych do urządzeń zasilających opartych na SiC wymaga znacznego wysiłku, ale można to osiągnąć przy użyciu zaawansowanych procesów osadzania warstw atomowych (ALD).
Zasadniczym czynnikiem wpływającym na wydajność wysokotemperaturowych urządzeń SiC jest kontrolowanie zarówno ich stężenia, jak i dystrybucji zanieczyszczeń, które wpływają na ich charakterystykę elektrotermiczną, a także na napięcie przebicia. EAG Laboratories posiada dogłębną wiedzę na temat materiałów z węglika krzemu, z doświadczeniem w wykonywaniu zarówno masowych, jak i przestrzennie rozdzielonych technik analitycznych w celu weryfikacji prawidłowego stężenia/rozkładu domieszek w celu osiągnięcia maksymalnej wydajności urządzenia.
Niskie straty przełączania
Węglik krzemu (SiC) to wyłaniający się materiał półprzewodnikowy o szerokim paśmie wzbronionym, który jest rozważany jako alternatywa dla urządzeń krzemowych w zastosowaniach energoelektronicznych, w szczególności w konwerterach mocy i instrumentach wykorzystywanych w pojazdach elektrycznych lub sondach kosmicznych (Mantooth, Zetterling i Rusu). Szerokie pasmo przenoszenia SiC pozwala mu konkurować z tradycyjnym krzemem pod wieloma względami, oferując jednocześnie określone korzyści w porównaniu z tańszym rywalem. Krzem jest ogólnie preferowanym materiałem półprzewodnikowym w energoelektronice; jednak SiC oferuje kilka wyraźnych zalet, które uzasadniają jego wyższy koszt w wymagających zastosowaniach, takich jak konwertery mocy znajdujące się w naziemnych konwerterach mocy pojazdów elektrycznych lub sprzęcie do eksploracji kosmosu (Mantooth, Zetterling i Rusu).
Urządzenia z węglika krzemu przewyższały krzemowe odpowiedniki, działając w wyższych temperaturach, mając większe możliwości blokowania napięcia i oferując mniejsze straty przełączania. Co więcej, ich wysoka częstotliwość pozwoliła na szybsze przełączanie częstotliwości, co ostatecznie zmniejszyło rozmiar i wagę komponentów i systemów oraz poprawiło gęstość mocy. Niskie straty przełączania tranzystorów SiC pozwalają na ich bezproblemowe włączenie do istniejących projektów bez konieczności ich przeprojektowywania, co przyspiesza czas opracowywania, jednocześnie pomagając znacznie obniżyć koszty materiałów (BOM).
Straty przełączania są spowodowane spadkami napięcia i czasami regeneracji w diodach MOSFET, gdy urządzenia do konwersji mocy włączają się lub wyłączają, co prowadzi do znacznego marnowania energii. Urządzenia SiC oferują znacznie zmniejszone straty przełączania i większą wydajność w porównaniu do ich krzemowych odpowiedników do zastosowania w nowych projektach konwersji mocy.
N-kanałowe tranzystory SiC MOSFET pracujące w trybie wzmocnienia są projektowane i przetwarzane podobnie jak ich krzemowe odpowiedniki, z podobną wydajnością w wielu zastosowaniach związanych z konwersją mocy. Można je łatwo dopasować do konwencjonalnych topologii przetwornic AC/DC, jednocześnie dobrze współpracując z diodami SiC w celu zwiększenia niezawodności przy jednoczesnym zmniejszeniu ogólnych strat systemu.
Podejście UnitedSiC do optymalizacji wydajności obejmuje optymalizację struktury urządzenia, pasożytów i rezystancji bramki w celu dostarczenia wydajnego rozwiązania, które jest kompatybilne z istniejącymi przepływami projektowymi. Dzięki zastosowaniu małych snubberów i optymalizacji rezystorów bramka-wyłącznik udało im się osiągnąć lepszą kontrolę dV/dt, przeregulowań i dzwonienia, niż można by to osiągnąć po prostu poprzez zwiększenie samej rezystancji bramki.