Invoering
Halfgeleiders op basis van siliciumcarbide (SiC) zijn steeds prominenter aanwezig in de halfgeleiderindustrie. Vroeger werd silicium als belangrijkste basismateriaal gebruikt voor halfgeleiders. Sinds de introductie van siliciumcarbide (SiC) lijken halfgeleiders echter functioneel efficiënter, duurzamer en effectiever te zijn.
Dit artikel geeft een goede uitleg over wat siliciumcarbide is en waarom het de laatste tijd zo'n belangrijk element is geworden in de halfgeleiderindustrie.
Wat is siliciumcarbide (SiC)
Siliciumcarbide (SiC) is een keramisch materiaal dat vooral wordt gebruikt voor de productie van verwarmingselementen in de maakindustrie. De handelsnaam van dit halfgeleidermateriaal is Carborundum. Enkele van de productie-elementen die dit materiaal bevat, keramisch materiaal wordt gebruikt voor de productie van onder andere smeltkroezen, brandermondstukken en glijlagers.
Andere elementen die van SiC worden gemaakt, zijn onder meer slijtdelen, afdichtringen, warmtewisselaars en sinterhulpmiddelen. Dus, om de grote vraag te beantwoorden: "Waarom wordt SiC zo vaak gebruikt in halfgeleiders?", komt dat doordat siliciumcarbidehalfgeleiders een hogere elektronenmobiliteit en een hogere thermische geleidbaarheid bieden, terwijl ze tegelijkertijd zorgen voor lagere vermogensverliezen.
SiC-doping
Een vergelijking van SiC en andere halfgeleidermaterialen met brede bandafstanden laat zien dat SiC hogere concentraties brede doteringsmiddelen aankan. Het is wellicht interessant om te weten dat de kans hierop groot is door ionenimplantatie of in-situ-doping.
In de meeste gevallen wordt bij de dotering van SiC gebruikgemaakt van donor-achtige onzuiverheden zoals fosfor en stikstof. Acceptor-achtige onzuiverheden zoals gallium, boor en aluminium worden ook vaak gebruikt om de geleiding van elektriciteit te verbeteren. Stikstof vervangt koolstof, terwijl silicium in het SiC-rooster wordt vervangen door boor, aluminium en fosfor.
Wanneer SiC met stikstof wordt gedoteerd, ontstaat een n-type halfgeleider. Een p-type halfgeleider ontstaat daarentegen door dotering met boor, aluminium en fosfor. De roosterparameter van dit halfgeleidermateriaal verandert afhankelijk van de doteringsdichtheid en het doteringsmiddel.
Een andere factor die veranderingen in de roosterparameter veroorzaakt, is de temperatuur die de vorming van kristallen mogelijk maakt. Wanneer SiC met stikstof wordt gedoteerd, treedt krimp van het rooster op. Daarentegen is uitzetting van het rooster meestal het geval bij dotering met aluminium.
Roosterspanning veroorzaakt door een mismatch in het rooster door doping is een cruciale factor. Deze is vooral van belang tijdens de fabricage van het apparaat, met name tijdens de vorming van de heterostructuur.
Eigenschappen van siliciumcarbide (SiC)
Siliciumcarbide is zowel het hardste als het lichtste keramische materiaal dat er bestaat. Het is een verbinding die ontstaat door silicium met koolstof te combineren en is bestand tegen zuren en logen. Bovendien heeft SiC diverse chemische, mechanische en thermische eigenschappen die het een geschikt halfgeleidermateriaal maken.
Deze eigenschappen omvatten een intrinsieke bodydiode (MOSFET), hoge energie-efficiëntie, lage schakel- en vermogensverliezen en lage thermische uitzetting. Andere eigenschappen zijn een uitstekende thermische schokbestendigheid en een hoge bedrijfstemperatuur en -frequentie, waardoor de chip kan werken bij temperaturen rond de 200 °C.
Bovendien heeft het uitstekende thermische eigenschappen, waardoor er minder koeling nodig is. Al deze eigenschappen zorgen ervoor dat SiC-diodes en -transistoren kunnen functioneren zonder hun effectiviteit en betrouwbaarheid te verliezen.
Vergelijking tussen silicium en siliciumcarbide in halfgeleiders
Een voordeel van siliciumcarbidehalfgeleiders ten opzichte van siliciumhalfgeleiders is de sterkte van de elektrische velddoorslag. De sterkte van de elektrische velddoorslag in SiC-halfgeleiders is 10x die van een siliciumhalfgeleider. Een halfgeleider die siliciumcarbide gebruikt, kan dus de extreem hoge spanningen van apparaten met een hoog vermogen aan.
SiC-halfgeleiders hebben dunnere driftlagen en een hoge concentratie onzuiverheden. Deze eigenschappen maken het mogelijk om spanningen tussen 600 V en meer dan duizend volt te verwerken. Bovendien heeft een SiC-halfgeleider een extreem lage inschakelweerstand per oppervlakte-eenheid. Deze lage inschakelweerstand ondersteunt ook de weerstand tegen hoge spanningen.
Bovendien kan de driftlaagweerstand per oppervlakte van siliciumcarbidehalfgeleiders met een factor 300 worden verlaagd. Dit is in vergelijking met siliciumhalfgeleiders wanneer ze aan hetzelfde spanningsniveau worden blootgesteld. Normaal gesproken moeten siliciumhalfgeleiders worden ondersteund met minoriteitsdragers zoals IGBT's om de toename van de AAN-weerstand te minimaliseren.
Wanneer deze Insulate Gate Bipolar Transistors (IGBT's) echter worden gebruikt als dragers voor siliciumhalfgeleiders, nemen de schakelverliezen toe. Hierdoor ontstaat er meer warmte en worden hoogfrequente toepassingen beperkt.
SiC-halfgeleiders gebruiken daarentegen meerderheidsdragers (MOSFET en Schottky-barrièrediode) om hoge spanningen te weerstaan. Ze gebruiken een lagere inschakelweerstand om zowel de snelle constructie als de snelle werking van de componenten te vergemakkelijken, terwijl ze bestand zijn tegen hoge spanningen.
Siliciumcarbidehalfgeleiders hebben ook een grotere bandgap (drie keer die van een siliciumhalfgeleider). Hierdoor kunnen apparaten met een hoog vermogen bij hogere temperaturen werken en is de toepasbaarheid aanzienlijk uitgebreid.
Toepassingen van SiC-halfgeleiders
U kunt siliciumcarbidehalfgeleiders gebruiken om modules aan te drijven die worden gebruikt in toepassingen met een hoog rendement en hoog vermogen. Siliciumcarbidehalfgeleiders, zoals FET/MOSFET-transistoren en Schottky-diodes, zijn componenten van de meeste apparaten voor stroomvoorziening. Voorbeelden hiervan zijn batterijladers, converters, motorregelsystemen en inverters.
Halfgeleiders op basis van silicium hebben een spanningslimiet van 900 V. Dit geldt echter niet voor een SiC-halfgeleider. Bent u benieuwd naar het verschil?
Siliciumcarbidehalfgeleiders kunnen spanningen tot wel 10 kV aan. Bovendien ondersteunen de lage schakelverliezen hoge bedrijfsfrequenties, waardoor ze een nog hoger rendement kunnen behalen.
De toepassing van SiC-halfgeleiders in inverters en omvormers kan de systeemverliezen met ongeveer 50 procent verlagen. Ze verkleinen ook de totale systeemgrootte met 300 procent en de totale kosten met 20 procent. Deze mogelijkheid om de totale systeemgrootte te verkleinen, onderstreept het nut van SiC-halfgeleiders in ruimtegevoelige toepassingen.
Huidige trends op de siliciumcarbidemarkt
De productie van SiC-componenten maakt aanzienlijke vorderingen. Dit is te zien aan de kwaliteit van SiC-substraten en het proces van epitaxie dat het gebruik van siliciumcarbide vergemakkelijkt. Onderzoekers werken actief aan het corrigeren van bepaalde defecten in SiC-substraten, waaronder micropijpjes en vlekken.
Andere substraatdefecten die worden gecorrigeerd, zijn onder meer kristalstapelfouten, oppervlaktedeeltjes en krassen die de prestaties van SiC-componenten verminderen. Een hogere dichtheid van deze defecten wordt tegengegaan door te streven naar een consistente substraatkwaliteit, zelfs bij grotere SiC-wafers.
De implementatie van deze ontwikkelingen zal echter de kwaliteit, betrouwbaarheid en kosteneffectiviteit van SiC-halfgeleiders en andere SiC-componenten verbeteren. Dit creëert diverse groeimogelijkheden voor de SiC-markt. Verdere ontwikkelingen in SiC-componenten en -technologie omvatten een verschuiving naar de productie van grotere wafers.
Bovendien wijst de ontwikkeling van grotere wafers op een toenemende acceptatie en toepassing van SiC-apparaten in hoge vermogenselektronica en toepassingen. Het biedt ook mogelijkheden voor de toenemende vraag naar SiC-MOSFET's in aandrijflijnen van elektrische en hybride voertuigen.
Toepassingen van siliciumcarbide
Als u zich afvraagt waar dit keramische materiaal voor gebruikt kan worden, hoeft u niet verder te zoeken. De hardheid van het materiaal maakt het geschikt voor een breed scala aan toepassingen. Naast halfgeleiders wordt SiC gebruikt in elektrische voertuigen, elektronica en fototonica, de lucht- en ruimtevaart en het leger.
Weet u dat siliciumcarbidecomponenten ook in traditionele toepassingen worden gebruikt? Dit omvat onder andere schuurmiddelen, snijgereedschappen en vuurvaste materialen. U zult ook merken dat SiC een belangrijke rol speelt als onderdeel van auto-onderdelen - remmen en koppelingen.
Bent u een fabrikant van kogelwerende vesten of kogelwerende vesten? Vind hier op onze website hoogwaardige SiC-materialen voor uw producten en draag zo bij aan de strijd tegen de kosmische straling. De bestendigheid van siliciumcarbide tegen kosmische straling maakt het een perfect materiaal voor de lucht- en ruimtevaartindustrie.
Het zal u ook interesseren dat SiC wordt toegepast bij de productie van raketmondstukken. Tijdens de voortstuwing van een raket wordt het raketmondstuk meestal blootgesteld aan intense hitte. Als het materiaal de hitte niet kan vasthouden, mislukt de hele operatie.
Ze worden ook gebruikt om de energie-efficiëntie in hernieuwbare energiesystemen te verbeteren. U moet ook weten dat SiC-gebaseerde componenten worden gebruikt in RF-toepassingen met hoog vermogen.
Er staan ook veel ontwikkelingen op stapel in de technologiesector, met name met de ontwikkeling van 5G-technologie. Om 5G-netwerken naadloos te laten functioneren, zijn krachtige RF-toepassingen nodig die op hoge frequenties werken.
Daarom zult u waarschijnlijk een toename in de vraag naar siliciumcarbide merken na de uitbreiding van de acceptatie van 5G-technologie.
Marktwaarde van siliciumcarbide
De beste kwaliteit siliciumcarbide, naast andere poreuze en textielkeramische materialen, vindt u bij GGSeramiekVerschillende factoren bepalen de prijs van elk SiC-materiaal, waaronder korrelgrootte, type, maaswijdte, hoeveelheid en marktomstandigheden. U krijgt echter waar voor uw geld bij de aankoop van siliciumcarbide bij ons. Neem vandaag nog contact met ons op voor een offerte.
Veelgestelde vragen (FAQ's)
Kan SiC IGBT overtreffen bij hoge frequenties?
Ja. SiC kan bij hoge frequenties beter presteren dan Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT's). IGBT's werden in het verleden gebruikt als kleine dragers voor siliciumhalfgeleiders om een toename van de aan-/uit-weerstand te onderdrukken. De overstap naar SiC werd echter gemaakt toen onderzoekers ontdekten dat siliciumcarbidehalfgeleiders van nature een lage aan-/uit-weerstand hebben.
Waarom kan SiC hoge spanningen aan?
De reden dat siliciumcarbidehalfgeleiders hoge spanningen aankunnen, is hun doorslagsterkte in elektrische velden. Vergeleken met de diëlektrische doorslagsterkte van siliciumhalfgeleiders voor elektrische velden, is de sterkte van SiC-componenten 10x hoger. SiC-halfgeleiders zijn dus bestand tegen hogere spanningen, variërend van 600 V tot meer dan duizend volt.
Hoe verhoudt de reverse recovery-tijd van SiC zich tot die van Si?
De SiC MOSFET-bodydiode heeft een extreem snelle reverse recovery time (trr), met verwaarloosbaar kleine waarden. Ook het energieverlies (Err) is aanzienlijk verminderd ten opzichte van de Si MOSFET.
Conclusie
SiC-halfgeleiders zijn snel een gamechanger aan het worden in de halfgeleiderindustrie. Hoe eerder u zich aanpast aan deze trend, hoe sneller u de voordelen zult zien. Naast een groot aantal andere voordelen is SiC hittebestendiger dan siliciumhalfgeleiders, waardoor het een betrouwbaarder materiaal is.