Технологія карбіду кремнію

Карбід кремнію (SiC) - це надзвичайно тверда синтетична сполука кремнію і вуглецю, яка використовується для виробництва наждачного паперу, шліфувальних кругів і ріжучих інструментів, а також футерування промислових печей, як вогнетривкий матеріал або нагрівальний елемент.

SiC можна перетворити на напівпровідник, додавши різні домішки, які дозволяють електриці проходити крізь нього, що робить його придатним для застосувань, які вимагають високих температур і потужності. Ця властивість робить SiC перспективним матеріалом.

Високотемпературні

Високотемпературний карбід кремнію (SiC) є ідеальним матеріалом для створення гнучкої електроніки, призначеної для роботи в суворих і токсичних середовищах, завдяки своїм чудовим фізичним властивостям порівняно з жорсткими платформами, включаючи здатність до розтягування і згинання. Крім того, SiC має чудову стійкість до окислення, а також високу температуру плавлення, що робить його придатним для створення компактних високотемпературних теплообмінників. У цій дисертації ми описуємо метод виготовлення гнучких сенсорів на основі SiC на поліімідних підкладках, придатних для роботи в агресивних середовищах.

SiC виявився дуже перспективним як широкозонний напівпровідник, оскільки має вищу пробивну напругу, ніж кремнієві аналоги, і водночас нижчий опір та робочу температуру. Широка заборонена зона дозволяє йому працювати за вищих температур.

Відмінна теплопровідність карбіду кремнію робить його чудовим вибором для застосувань, де пристрої повинні витримувати екстремальні температури і багаторазове нагрівання, наприклад, в електромобілях (EV). Ця технологія забезпечує швидкий час заряджання, мінімізуючи кількість компонентів і загальні втрати системи; крім того, вона прискорює час заряджання акумулятора від нульової ємності до повної, що є життєво важливим для її прийняття і впровадження.

Нещодавні досягнення в галузі ІС та силових перетворювачів на основі SiC дозволили підвищити робочі температури; однак для досягнення подальшого прогресу все ще необхідно подолати кілька технічних проблем, включаючи привід затвора, вимірювання струму, узгодження параметрів між пристроями, технологію пакування для адаптації до умов високих робочих температур, пакування, адаптоване до високих температур тощо. Для подолання цих перешкод дослідники розробляють матеріали і технології, придатні для високотемпературних середовищ, включаючи спікання, реакційне з'єднання і ріст кристалів, а також CVD-виробництво об'ємної форми SiC для виготовлення пластин.

Висока потужність

Силові пристрої на основі карбіду кремнію революціонізують наше уявлення про електроенергію. У порівнянні зі своїми кремнієвими (Si) попередниками, нова технологія SiC пропонує вищі робочі температури, менші втрати при перемиканні, більшу потужність струму та напруги, а також менший розмір/вагу компонентів, що призводить до значного зниження вартості системи.

SiC виділяється як винятковий матеріал з унікальними властивостями, які роблять його ідеальним наступником кремнію для застосування у високовольтних і струмових пристроях. SiC, що складається з кремнію (Si) і вуглецю (C), має в 10 разів більшу пробивну напруженість електричного поля і в 3 рази більшу ширину забороненої зони порівняно зі звичайним кремнієм, що робить його придатним для легування домішками як p-, так і n-типу, уможливлюючи створення цілої низки технологій силових пристроїв, таких як діоди Шотткі і MOSFET в дискретному або модульному корпусі.

На вежах стільникового зв'язку висока пробивна напруга SiC живить радіочастотні підсилювачі, які використовуються для передачі бездротових сигналів між базовими станціями мобільного зв'язку та базовими приймально-передавальними пристроями. Крім того, ця технологія впроваджується в енергетичні системи електромобілів, де вона довела свою перевагу завдяки збільшенню відстані пробігу, а також більшому енергозбереженню завдяки системам управління акумуляторами та інверторам з підвищеними функціями енергозбереження.

МДН-транзистори та польові транзистори на основі карбіду кремнію мають нижчий опір увімкнення порівняно з IGBT на основі кремнію, при цьому мають у 300 разів вищу витримувану напругу та швидшу роботу, що забезпечує вищі частоти перемикання при менших витратах на охолодження, а також менші розміри пасивних компонентів і простіші магніти. Крім того, чудова теплопровідність карбіду кремнію дозволяє створювати компактніші силові перетворювачі, які можна встановлювати на менші радіатори, що ще більше зменшує розмір, вагу та вартість системи.

Високовольтний

Напівпровідники на основі карбіду кремнію (SiC) мають значні переваги над стандартними кремнієвими технологіями у застосуванні для перетворення енергії, особливо щодо електричних полів і температур. SiC може витримувати більші електричні поля, залишаючись при цьому при нижчих температурах, що означає покращену продуктивність при менших витратах з точки зору займаного фізичного простору або сплачених витрат; ця перевага робить ці напівпровідники особливо придатними для ключової інфраструктури, такої як інфраструктура зарядки електромобілів.

Силові прилади на основі SiC здатні витримувати в 10 разів вище критичне електричне поле, ніж кремнієві, що робить їх чудовим рішенням для високовольтних енергетичних застосувань. Крім того, їхні втрати провідності набагато менші, що забезпечує більш швидке перемикання частот і більшу ефективність.

Ці особливості роблять ці компоненти ідеальними для застосування в енергетичному секторі, в тому числі в силових перетворювачах і системах керування двигунами. Їх легка, але ефективна конструкція дозволяє конструкторам зменшити вагу і розмір компонентів, таких як магніти і котушки індуктивності, для зниження вартості проектування, не порушуючи при цьому вимог до рівня напруги.

Силові прилади з SiC мають перевагу в тому, що вони мають вищу пробивну напругу, що дозволяє їм витримувати більшу напругу, ніж стандартні кремнієві прилади, і підходять для систем з живленням від батарей, де силові вимикачі повинні ефективно справлятися з великими струмами і температурами.

Звичайні силові прилади на основі кремнію демонструють надзвичайно високий опір n-шару, коли пробивна напруга перевищує 600-800 В, тому для подолання цієї межі інжекція неосновних носіїв з p-області може допомогти знизити цей опір, створюючи різкі pn-переходи - така форма приладу відома як біполярний транзистор.

Компанія Mitsubishi Electric нещодавно представила серію високовольтних IGBT-транзисторів з карбіду кремнію (SiC), розроблених спеціально для промислового застосування. Ці нові прилади можуть замінити стандартні кремнієві прилади в системах перетворення енергії для досягнення значної економії енергії при одночасному підвищенні надійності високовольтних мереж передачі постійного струму.

Високочастотний

Високочастотні силові напівпровідники з карбіду кремнію (SiC) дозволяють перетворювачам енергії працювати швидше, ефективніше та надійніше - ключові технологічні фактори у багатьох трансформаційних застосуваннях, таких як зарядні станції для електромобілів, живлення центрів обробки даних та серверних блоків живлення. Крім того, його чудові термічні властивості роблять SiC чудовим вибором для використання в умовах високих температур.

SiC унікальний серед напівпровідників тим, що його енергетична щілина втричі ширша, ніж у кремнію, що робить його здатним витримувати набагато вищі температури, напруги та частоти без деградації з часом. Це дозволяє дизайнерам зменшувати розміри плат і повністю відмовитися від дорогих магнітних компонентів.

Високошвидкісні широкозонні напівпровідники створюють унікальні проблеми, коли мова йде про швидкість перемикання; їх швидке перемикання може призвести до стрибків напруги, шуму і невідповідності нормам електромагнітних завад (ЕМІ). Щоб мінімізувати ці проблеми, інженери повинні проектувати і тестувати свої системи з використанням точних вимірювальних інструментів і методологій, а також впроваджувати найкращі практики, які мінімізують ризики виникнення цих проблем під час розробки прототипів, кваліфікації продукції або, що ще гірше, в польових умовах.

Нещодавно значне зменшення площі матриці для SiC-пристроїв дозволило їм працювати на більш високих частотах, ніж звичайні мікросхеми на основі кремнію, що дозволило їм добре зарекомендувати себе в ключових енергетичних додатках, таких як TPPFC на 100 кГц і LLC з м'яким перемиканням на 200-300 кГц. Нові технології, такі як траншейні та каскадні MOSFET, ще більше підвищать продуктивність у високочастотних додатках.

Сімейство захищених патентами SiC-пристроїв GeneSiC від Navitas забезпечує високошвидкісне і ефективне перетворення потужності для застосувань в діапазоні від 20 Вт до 20 МВт, від 20 Вт до 6,5 кВ. Пристрої мають виняткову провідність, комутацію, напруженість електричного поля і опір електричного поля, що дозволяє конструкторам з легкістю реалізовувати найсучасніші топології перетворення потужності середньої напруги, такі як дворівневі перетворювачі або напівпровідникові трансформатори.

Високошвидкісний

Силові пристрої з карбіду кремнію революціонізують способи перетворення, контролю та розподілу електроенергії. Пропонуючи численні переваги над кремнієвими аналогами, силові напівпровідники SiC створюють менші та легші системи, які є більш ефективними та надійними - ідеально підходять для використання в електромобілях (EV) або зарядних пристроях; промислові застосування включають роботів або автоматизацію виробництва.

SiC ідеально підходить для розробників систем, які прагнуть підвищити ефективність завдяки вищій пробивній напрузі та швидкості перемикання, що робить його ідеальним для високошвидкісних застосувань, таких як мобільна технологія 5G, яка вимагає обладнання зі швидкістю передачі даних у 20 разів вищою, ніж у 4G LTE. Крім того, прилади на основі SiC мають вищу провідність і надійність порівняно з традиційними силовими напівпровідниками на основі кремнію.

Широка заборонена зона карбіду кремнію дозволяє електроніці працювати при набагато вищих температурах, напругах і частотах - ключових характеристиках високошвидкісної роботи - зменшуючи загальні втрати потужності, одночасно роблячи пристрої меншими за розміром і вартістю, покращуючи терморегуляцію і дозволяючи використовувати більш дешеві пасивні компоненти.

Пристрої з міноритарними носіями, такі як IGBT, колись використовувалися для управління більш високими пробивними напругами; однак вони страждають від підвищеного опору ввімкнення і втрат при перемиканні на високих частотах, що обмежує їх застосування в багатьох силових електронних пристроях. На відміну від них, прилади з більшістю носіїв, такі як діоди з бар'єром Шотткі і MOSFET-транзистори, виготовлені з карбіду кремнію, можуть витримувати вищі напруги з мінімальним опором увімкнення навіть на більш високих частотах - неоціненна перевага при розробці додатків силової електроніки.

SiC MOSFETs і MPS-діоди Шотткі від GeneSiC підтримують високошвидкісне та високоефективне перетворення енергії в різних сферах застосування, таких як зарядка/зберігання енергії електромобілів, електромережі, збір/генерація сонячної/вітряної енергії, моторні приводи та системи промислової автоматизації. Завдяки температурній стійкості, радіаційній твердості та іншим характеристикам цих компонентів розробники можуть створювати надійні, але економічно ефективні рішення в менших форм-факторах, ніж кремнієві аналоги.