Introducción
Los semiconductores de carburo de silicio (SiC) han adquirido mayor relevancia en la industria de los semiconductores. Anteriormente, el silicio era el material base principal de un semiconductor. Sin embargo, desde la introducción del carburo de silicio (SiC), los semiconductores parecen ser más eficientes, duraderos y eficaces desde el punto de vista funcional.
Este artículo proporciona una buena explicación de qué es el carburo de silicio y por qué se ha convertido recientemente en un elemento importante en la industria de los semiconductores.
¿Qué es el carburo de silicio (SiC)?
El carburo de silicio (SiC) es un material cerámico que se utiliza principalmente para fabricar elementos calefactores en la industria manufacturera. El nombre comercial de este material semiconductor es carborundo. Algunos de los elementos de fabricación que este... material cerámico Se utiliza para producir crisoles, boquillas de quemador y cojinetes deslizantes.
Otros elementos producidos a partir de SiC incluyen piezas de desgaste, anillos de sellado, intercambiadores de calor y auxiliares de sinterización. Para responder a la gran pregunta "¿Por qué se ha adoptado recientemente el SiC en semiconductores?", la respuesta es que los semiconductores de carburo de silicio ofrecen mayor movilidad de electrones y mayor conductividad térmica, a la vez que garantizan menores pérdidas de potencia.
Dopaje de SiC
Una comparación del SiC con otros materiales semiconductores con anchos de banda prohibidos muestra que el SiC tolera mayores concentraciones de dopantes de banda ancha. Es interesante saber que existe una alta probabilidad de que esto ocurra mediante la implantación de iones o el dopaje in situ.
En la mayoría de los casos, el dopaje del SiC utiliza impurezas de tipo donante, como el fósforo y el nitrógeno. También se utilizan comúnmente impurezas de tipo aceptor, como el galio, el boro y el aluminio, para aumentar la conducción eléctrica. El nitrógeno sustituye al carbono, mientras que el silicio se sustituye por el boro, el aluminio y el fósforo en la red del SiC.
Al doparse con nitrógeno, el SiC produce un semiconductor de tipo n. Por otro lado, un semiconductor de tipo p resulta del dopaje con boro, aluminio y fósforo. El parámetro de red de este material semiconductor tiende a variar en función de la densidad de dopaje y del dopante.
Otro factor que provoca cambios en su parámetro de red es la temperatura que permite la formación de cristales. Cuando el SiC se dopa con nitrógeno, se observa una contracción de la red. Por el contrario, cuando se dopa con aluminio, suele producirse una expansión de la red.
La tensión reticular causada por un desajuste en la red debido al dopaje es un factor crucial. Es especialmente significativa durante la fabricación de dispositivos, en particular durante la etapa de formación de la heteroestructura.
Propiedades del carburo de silicio (SiC)
El carburo de silicio es el material cerámico más duro y ligero que se puede encontrar. Es un compuesto derivado de la combinación de silicio y carbono, resistente a ácidos y lejías. Además, el SiC posee diversas propiedades químicas, mecánicas y térmicas que lo convierten en un material semiconductor ideal.
Estas propiedades incluyen un diodo de cuerpo intrínseco (dispositivo MOSFET), alta eficiencia energética, bajas pérdidas de conmutación y potencia, y baja expansión térmica. Otras incluyen una excelente resistencia al choque térmico y una alta temperatura y frecuencia de operación que le permiten operar a aproximadamente 200 °C.
Además, posee excelentes propiedades de gestión térmica, lo que permite reducir los requisitos de refrigeración. Todas estas propiedades permiten que los diodos y transistores de SiC funcionen sin perder eficacia ni fiabilidad.
Comparación entre silicio y carburo de silicio en semiconductores
Una ventaja de los semiconductores de carburo de silicio sobre los de silicio reside en la intensidad de la ruptura del campo eléctrico. Esta intensidad en los semiconductores de SiC es diez veces mayor que la de un semiconductor de silicio. Por lo tanto, un semiconductor de carburo de silicio puede configurar los voltajes extremadamente altos de los dispositivos de alta potencia.
Los semiconductores de SiC presentan capas de deriva más delgadas y una alta concentración de impurezas. Estas propiedades facilitan su capacidad para soportar tensiones de entre 600 V y más de mil voltios. Además, un semiconductor de SiC presenta una resistencia de encendido por unidad de área extremadamente baja. Esta baja resistencia de encendido también contribuye a su capacidad para soportar altas tensiones.
Además, la resistencia de la capa de deriva por área de los semiconductores de carburo de silicio puede reducirse hasta 300 veces, en comparación con los semiconductores de silicio cuando se exponen al mismo nivel de voltaje. Normalmente, los semiconductores de silicio deben estar soportados con portadores minoritarios, como los IGBT, para minimizar el aumento de la resistencia en estado encendido.
Sin embargo, cuando estos transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) se utilizan como portadores de semiconductores de silicio, las pérdidas de conmutación aumentan. En consecuencia, se genera más calor y se limitan las operaciones de alta frecuencia.
Por otro lado, los semiconductores de SiC utilizan portadores mayoritarios (MOSFET y diodo de barrera Schottky) para soportar altas tensiones. Su menor resistencia de encendido facilita la construcción de dispositivos de alta velocidad y su funcionamiento a alta velocidad, soportando altas tensiones.
Los semiconductores de carburo de silicio también tienen una banda prohibida más amplia (tres veces la de un semiconductor de silicio), lo que permite que los dispositivos de potencia funcionen a temperaturas más altas y amplía considerablemente su aplicabilidad.
Usos de los semiconductores de SiC
Se pueden utilizar semiconductores de carburo de silicio para alimentar módulos utilizados en aplicaciones de alta eficiencia y alta potencia. Los semiconductores de carburo de silicio, como los transistores FET/MOSFET y los diodos Schottky, son componentes de la mayoría de los dispositivos de alimentación. Entre ellos se incluyen cargadores de baterías, convertidores, sistemas de control de motores e inversores.
Los semiconductores de silicio tienen un límite de voltaje de 900 V. Sin embargo, este no es el caso de un semiconductor de SiC. ¿Te interesa ver en qué se diferencian?
Los semiconductores de carburo de silicio pueden soportar voltajes de hasta 10 kV. Además, sus bajas pérdidas de conmutación permiten altas frecuencias de operación, lo que permite alcanzar eficiencias aún mayores.
La aplicación de semiconductores de SiC en inversores y convertidores puede reducir las pérdidas del sistema en aproximadamente un 50 %. También reduce el tamaño del sistema en un 300 % y el coste total del sistema en un 20 %. Esta capacidad para reducir el tamaño total del sistema resalta la utilidad de los semiconductores de SiC en aplicaciones con limitaciones de espacio.
Tendencias actuales del mercado del carburo de silicio
La fabricación de dispositivos de SiC está experimentando avances notables. Esto se puede apreciar en la calidad de los sustratos de SiC y en el proceso de epitaxia para facilitar el uso del carburo de silicio. Los investigadores están realizando esfuerzos activos para corregir ciertos defectos de los sustratos de SiC, como las microtuberías y las manchas.
Otros defectos del sustrato que se están corrigiendo incluyen fallas de apilamiento cristalino, partículas superficiales y rayones que reducen el rendimiento de los dispositivos de SiC. Se está evitando una mayor densidad de estos defectos mediante esfuerzos para mantener una calidad constante del sustrato, incluso con obleas de SiC de mayor tamaño.
Sin embargo, la implementación de estos avances mejorará la calidad, la fiabilidad y la rentabilidad de los semiconductores de SiC, entre otros dispositivos de SiC. Esto generará diversas oportunidades de crecimiento para el mercado del SiC. Los avances en los dispositivos y la tecnología de SiC implican una transición hacia la creación de obleas de mayor tamaño.
Además, el desarrollo de obleas más grandes sugiere una mayor adopción y aplicación de dispositivos de SiC en alta electrónica de potencia y aplicaciones. También tiene potencial para el aumento de la demanda de MOSFET de SiC en sistemas de propulsión de vehículos eléctricos (VE) y vehículos híbridos eléctricos (HEV).
Aplicaciones del carburo de silicio
Si se pregunta sobre las áreas de aplicación de este material cerámico, no busque más. Su dureza lo hace apto para una amplia gama de aplicaciones. Además de los semiconductores, el SiC se aplica a vehículos eléctricos, electrónica y fototónica, industria aeroespacial y militar.
¿Sabía que los componentes de carburo de silicio también se aplican a campos tradicionales? Esto incluye abrasivos, herramientas de corte y materiales refractarios, entre otros. También descubrirá que el SiC desempeña un papel importante como componente de... piezas de automóviles - frenos y embragues.
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También le interesará saber que el SiC se utiliza en la fabricación de toberas de cohetes. Durante la propulsión de cohetes, la tobera suele estar sometida a un calor intenso. Si el material no puede contener el calor, toda la operación fracasará.
También se utilizan para mejorar la eficiencia energética en sistemas de energía renovable. Cabe destacar que los dispositivos basados en SiC se utilizan en aplicaciones de radiofrecuencia de alta potencia.
También se avecinan numerosos avances en la industria tecnológica, especialmente con el desarrollo de la tecnología 5G. Para que las redes 5G funcionen sin problemas, se requieren aplicaciones de radiofrecuencia de alta potencia que funcionen a altas frecuencias.
Por lo tanto, es probable que notes un aumento en la demanda de carburo de silicio luego de la expansión en la adopción de la tecnología 5G.
Valor de mercado del carburo de silicio
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Preguntas frecuentes (FAQ)
¿Puede el SiC superar al IGBT en altas frecuencias?
Sí. El SiC puede superar a los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) a altas frecuencias. Anteriormente, los IGBT se utilizaban como portadores menores en semiconductores de silicio para suprimir el aumento de la resistencia de encendido. Sin embargo, el cambio al SiC se produjo cuando los investigadores descubrieron que los semiconductores de carburo de silicio presentaban una baja resistencia de encendido.
¿Por qué el SiC puede soportar altos voltajes?
La razón por la que los semiconductores de carburo de silicio pueden soportar altos voltajes reside en su resistencia a la ruptura del campo eléctrico. En comparación con la intensidad de ruptura dieléctrica de los semiconductores de silicio para campos eléctricos, la resistencia de los dispositivos de SiC es diez veces mayor. Por lo tanto, los semiconductores de SiC soportan voltajes más altos, desde 600 V hasta más de mil voltios.
¿Cómo se compara el tiempo de recuperación inversa del SiC con el del Si?
El diodo MOSFET de SiC presenta un tiempo de recuperación inversa (trr) extremadamente rápido, con valores insignificantes. La pérdida de energía (Err) también se reduce considerablemente en comparación con el MOSFET de Si.
Conclusión
Los semiconductores de SiC están revolucionando rápidamente la industria de los semiconductores, y cuanto antes se adopte esta tendencia, más rápido se verán los beneficios. Además de muchas otras ventajas, el SiC puede soportar más calor que los semiconductores de silicio, lo que lo convierte en un material más fiable.