Introduction
Les semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) ont gagné en importance dans l'industrie des semi-conducteurs. Auparavant, le silicium était le principal matériau de base des semi-conducteurs. Cependant, depuis l'introduction du carbure de silicium (SiC), les semi-conducteurs semblent plus performants, durables et efficaces.
Cet article fournit une bonne explication de ce qu'est le carbure de silicium et pourquoi il est récemment devenu un élément majeur dans l'industrie des semi-conducteurs.
Qu'est-ce que le carbure de silicium (SiC)
Le carbure de silicium (SiC) est un matériau céramique principalement utilisé pour la fabrication d'éléments chauffants dans l'industrie manufacturière. Le nom commercial de ce matériau semi-conducteur est Carborundum. Certains des éléments de fabrication de ce matériau matériau céramique est utilisé pour produire notamment des creusets, des buses de brûleur et des paliers lisses.
D'autres éléments produits à partir de SiC comprennent des pièces d'usure, des bagues d'étanchéité, des échangeurs thermiques et des auxiliaires de frittage. Pour répondre à la question essentielle : « Pourquoi le SiC a-t-il récemment été adopté dans les semi-conducteurs ? », la réponse est simple : les semi-conducteurs en carbure de silicium offrent une plus grande mobilité des électrons et une meilleure conductivité thermique, tout en garantissant de faibles pertes de puissance.
Dopage SiC
Une comparaison du SiC et d'autres matériaux semi-conducteurs à large bande interdite montre que le SiC supporte des concentrations plus élevées de dopants larges. Il est intéressant de savoir que ce phénomène est très probable par implantation ionique ou dopage in situ.
Dans la plupart des cas, le dopage du SiC utilise des impuretés de type donneur, telles que le phosphore et l'azote. Des impuretés de type accepteur, telles que le gallium, le bore et l'aluminium, sont également couramment utilisées pour améliorer la conduction électrique. L'azote remplace le carbone, tandis que le silicium est remplacé par le bore, l'aluminium et le phosphore dans le réseau du SiC.
Lorsqu'il est dopé à l'azote, le SiC produit un semi-conducteur de type n. Un semi-conducteur de type p, quant à lui, est le résultat d'un dopage au bore, à l'aluminium et au phosphore. Le paramètre de maille de ce matériau semi-conducteur a tendance à varier en fonction de la densité de dopage et du dopant.
Un autre facteur qui modifie les paramètres de son réseau est la température permettant la formation des cristaux. Lorsque le SiC est dopé à l'azote, on observe une contraction du réseau. À l'inverse, une expansion du réseau se produit généralement lorsque le dopage est effectué à l'aluminium.
La contrainte de réseau causée par une discordance de réseau due au dopage est un facteur crucial. Elle est particulièrement importante lors de la fabrication du dispositif, notamment lors de la formation de l'hétérostructure.
Propriétés du carbure de silicium (SiC)
Le carbure de silicium est à la fois le matériau céramique le plus dur et le plus léger du marché. Issu de la combinaison du silicium et du carbone, il résiste aux acides et aux bases. De plus, le SiC possède plusieurs propriétés chimiques, mécaniques et thermiques qui en font un matériau semi-conducteur idéal.
Ces propriétés incluent une diode à corps intrinsèque (dispositif MOSFET), un rendement énergétique élevé, de faibles pertes de commutation et de puissance, ainsi qu'une faible dilatation thermique. Parmi les autres caractéristiques, on compte une excellente résistance aux chocs thermiques, ainsi qu'une température et une fréquence de fonctionnement élevées permettant un fonctionnement à environ 200 °C.
De plus, il présente d'excellentes propriétés de gestion thermique, permettant de réduire les besoins en refroidissement. Toutes ces propriétés permettent aux diodes et transistors SiC de fonctionner sans perte d'efficacité et de fiabilité.
Comparaison entre le silicium et le carbure de silicium dans les semi-conducteurs
L'un des avantages des semi-conducteurs en carbure de silicium par rapport aux semi-conducteurs en silicium réside dans leur intensité de claquage. L'intensité du claquage dans les semi-conducteurs en SiC est dix fois supérieure à celle d'un semi-conducteur en silicium. Par conséquent, un semi-conducteur en carbure de silicium peut configurer les tensions extrêmement élevées des dispositifs haute puissance.
Les semi-conducteurs SiC présentent des couches de dérive plus fines et une forte concentration d'impuretés. Ces propriétés leur permettent de supporter des tensions comprises entre 600 V et plus de mille volts. De plus, un semi-conducteur SiC présente une résistance à l'état passant extrêmement faible par unité de surface. Cette faible résistance à l'état passant contribue également à sa capacité à supporter des tensions élevées.
De plus, la résistance de la couche de dérive par surface des semi-conducteurs en carbure de silicium peut être divisée par 300 par rapport aux semi-conducteurs en silicium, lorsqu'ils sont exposés au même niveau de tension. Généralement, les semi-conducteurs en silicium doivent être supportés par des porteurs minoritaires comme les IGBT afin de minimiser l'augmentation de la résistance à l'état passant.
Cependant, lorsque ces transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) sont utilisés comme supports pour semi-conducteurs au silicium, les pertes de commutation augmentent. Par conséquent, la chaleur est générée davantage et les opérations à haute fréquence sont limitées.
En revanche, les semi-conducteurs SiC utilisent des dispositifs à porteurs majoritaires (MOSFET et diode Schottky) pour résister aux hautes tensions. Leur faible résistance à l'état passant facilite la construction et le fonctionnement à grande vitesse des dispositifs tout en supportant les hautes tensions.
Les semi-conducteurs en carbure de silicium présentent également une bande interdite plus large (trois fois supérieure à celle d'un semi-conducteur en silicium), ce qui permet aux dispositifs de puissance de fonctionner à des températures plus élevées et d'élargir considérablement leurs possibilités d'application.
Utilisations des semi-conducteurs SiC
Les semi-conducteurs en carbure de silicium peuvent être utilisés pour alimenter des modules destinés aux applications à haut rendement et à haute puissance. Les semi-conducteurs en carbure de silicium, tels que les transistors FET/MOSFET et les diodes Schottky, sont des composants de la plupart des dispositifs d'alimentation électrique. Ils comprennent notamment les chargeurs de batterie, les convertisseurs, les systèmes de contrôle moteur et les onduleurs.
Les semi-conducteurs à base de silicium ont une limite de tension de 900 V. Or, ce n'est pas le cas pour un semi-conducteur SiC. Souhaitez-vous comprendre en quoi ils diffèrent ?
Les semi-conducteurs en carbure de silicium peuvent supporter des tensions allant jusqu'à 10 kV. De plus, leurs faibles pertes de commutation supportent des fréquences de fonctionnement élevées, permettant ainsi d'atteindre des rendements encore plus élevés.
L'utilisation de semi-conducteurs SiC dans les onduleurs et les convertisseurs permet de réduire les pertes du système d'environ 50 %. Elle permet également de réduire la taille du système de 300 % et son coût global de 20 %. Cette réduction de la taille globale du système souligne l'utilité des semi-conducteurs SiC dans les applications sensibles à l'espace.
Tendances actuelles du marché du carbure de silicium
La fabrication de dispositifs SiC connaît des progrès notables. On le constate notamment dans la qualité des substrats SiC et dans le procédé d'épitaxie facilitant l'utilisation du carbure de silicium. Les chercheurs s'efforcent activement de corriger certains défauts des substrats SiC, notamment les micro-tuyaux et les taches.
D'autres défauts de substrat sont en cours de correction, notamment les défauts d'empilement cristallin, les particules de surface et les rayures qui réduisent les performances des composants SiC. La densité accrue de ces défauts est freinée par les efforts visant à maintenir une qualité de substrat constante, même avec des plaquettes SiC de plus grande taille.
Cependant, la mise en œuvre de ces avancées améliorera la qualité, la fiabilité et la rentabilité des semi-conducteurs SiC, entre autres dispositifs SiC, créant ainsi de nombreuses opportunités de croissance pour le marché du SiC. Les avancées futures dans les dispositifs et la technologie SiC impliquent une évolution vers la création de plaquettes plus grandes.
De plus, le développement de plaquettes plus grandes suggère une adoption et une application accrues des dispositifs SiC dans les applications à haute tension. électronique de puissance et ses applications. Il présente également un potentiel pour l'augmentation accrue de la demande de MOSFET SiC dans les groupes motopropulseurs EV/HEV.
Applications du carbure de silicium
Si vous vous interrogez sur les domaines d'application de ce matériau céramique, ne cherchez plus. Sa dureté le rend adapté à un large éventail d'applications. Outre les semi-conducteurs, le SiC est utilisé dans les véhicules électriques, l'électronique et la photonique, l'aérospatiale et le secteur militaire.
Saviez-vous que les composants en carbure de silicium s'appliquent également aux domaines traditionnels ? Cela inclut, entre autres, les abrasifs, les outils de coupe et les matériaux réfractaires. Vous constaterez également que le SiC joue un rôle important en tant que composant de pièces automobiles - freins et embrayages.
Vous fabriquez des gilets pare-balles ou des gilets pare-balles ? Trouvez sur notre site web des matériaux SiC de qualité pour vos produits et contribuez ainsi à l'armée. La résistance du carbure de silicium aux rayonnements cosmiques en fait un matériau idéal pour l'industrie aérospatiale.
Il vous sera également intéressant de savoir que le SiC est utilisé dans la fabrication des tuyères de fusées. Lors de la propulsion des fusées, la tuyère est généralement soumise à une chaleur intense. Si le matériau est incapable de contenir cette chaleur, toute l'opération échouera.
Ils sont également utilisés pour améliorer l'efficacité énergétique des systèmes d'énergie renouvelable. Il est également important de savoir que les dispositifs à base de SiC sont utilisés dans les applications RF haute puissance.
De nombreuses avancées technologiques sont également à venir, notamment avec le développement de la technologie 5G. Pour que les réseaux 5G fonctionnent parfaitement, des applications RF haute puissance fonctionnant à hautes fréquences sont nécessaires.
Par conséquent, vous constaterez certainement une augmentation de la demande de carbure de silicium suite à l’expansion de l’adoption de la technologie 5G.
Valeur marchande du carbure de silicium
Vous pouvez trouver la meilleure qualité de carbure de silicium, parmi d'autres matériaux céramiques poreux et textiles, chez GGScéramiquePlusieurs facteurs déterminent le prix de chaque SiC, notamment la granulométrie, le type, la maille, la quantité et les conditions du marché. Cependant, vous en aurez pour votre argent en achetant du carbure de silicium chez nous. N'hésitez pas à nous contacter dès aujourd'hui.
Foire aux questions (FAQ)
Le SiC peut-il surpasser l’IGBT à hautes fréquences ?
Oui. Le SiC surpasse les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) à hautes fréquences. Les IGBT étaient autrefois utilisés comme porteurs secondaires pour les semi-conducteurs en silicium afin de limiter l'augmentation de la résistance à l'état passant. Cependant, le passage au SiC a été décidé lorsque les chercheurs ont découvert que les semi-conducteurs en carbure de silicium présentaient naturellement une faible résistance à l'état passant.
Pourquoi le SiC peut-il supporter des tensions élevées ?
La capacité des semi-conducteurs en carbure de silicium à supporter des tensions élevées réside dans leur résistance au claquage sous champ électrique. Comparée à l'intensité du claquage diélectrique des semi-conducteurs en silicium sous champ électrique, la résistance des dispositifs SiC est dix fois supérieure. Ainsi, les semi-conducteurs SiC supportent des tensions plus élevées, allant de 600 V à plus de mille volts.
Comment le temps de récupération inverse du SiC se compare-t-il à celui du Si ?
La diode MOSFET SiC présente un temps de recouvrement inverse (trr) extrêmement rapide, avec des valeurs négligeables. La perte d'énergie (Err) est également considérablement réduite par rapport au MOSFET Si.
Conclusion
Les semi-conducteurs SiC sont en passe de révolutionner l'industrie des semi-conducteurs. Plus tôt vous vous alignerez sur cette tendance, plus vite vous en constaterez les bénéfices. Outre de nombreux autres avantages, le SiC résiste mieux à la chaleur que les semi-conducteurs en silicium, ce qui en fait un matériau plus fiable.