Wstęp
Półprzewodniki z węglika krzemu (SiC) stały się bardziej widoczne w przemyśle półprzewodnikowym. W przeszłości półprzewodnik wykorzystywał krzem jako główny materiał bazowy. Jednak od czasu wprowadzenia węglika krzemu (SiC) półprzewodniki wydają się być bardziej wydajne funkcjonalnie, trwałe i skuteczne.
W artykule tym dobrze wyjaśniono, czym jest węglik krzemu i dlaczego ostatnio stał się ważnym elementem w przemyśle półprzewodnikowym.
Czym jest węglik krzemu (SiC)
Węglik krzemu (SiC) to materiał ceramiczny, używany głównie do produkcji elementów grzejnych w przemyśle wytwórczym. Nazwa handlowa tego materiału półprzewodnikowego to Carborundum. Niektóre z elementów produkcyjnych, które ten materiał ceramiczny jest stosowany do produkcji m.in. tygli, dysz palników i łożysk ślizgowych.
Inne elementy produkowane z SiC obejmują części zużywalne, pierścienie uszczelniające, wymienniki ciepła i środki wspomagające spiekanie. Tak więc, aby odpowiedzieć na duże pytanie: „Dlaczego ostatnio wprowadzono SiC do półprzewodników?” Dzieje się tak, ponieważ półprzewodniki z węglika krzemu oferują większą ruchliwość elektronów i wyższą przewodność cieplną, a jednocześnie zapewniają niższe straty mocy.
Domieszkowanie węglem i węglem
Porównanie SiC i innych materiałów półprzewodnikowych o szerokich przerwach pasmowych pokazuje, że SiC radzi sobie z wyższymi stężeniami szerokich domieszek. Może Cię zainteresować fakt, że istnieje duże prawdopodobieństwo tego poprzez implantację jonów lub domieszkowanie in-situ.
W większości przypadków domieszkowanie SiC wykorzystuje zanieczyszczenia typu donorowego, takie jak fosfor i azot. Domieszki typu akceptorowego, takie jak gal, bor i aluminium, są również powszechnie stosowane w celu zwiększenia przewodnictwa elektrycznego. Azot zastępuje węgiel, podczas gdy krzem jest zastępowany borem, aluminium i fosforem w sieci SiC.
Po domieszkowaniu azotem SiC wytwarza półprzewodnik typu n. Tymczasem półprzewodnik typu p jest wynikiem domieszkowania borem, aluminium i fosforem. Parametr sieci tego materiału półprzewodnikowego ma tendencję do zmiany w zależności od gęstości domieszkowania i domieszki.
Innym czynnikiem powodującym zmiany w parametrach sieci jest temperatura umożliwiająca formowanie kryształów. Gdy SiC jest domieszkowany azotem, obserwuje się skurcz sieci. Natomiast rozszerzenie sieci zwykle ma miejsce, gdy domieszkowanie odbywa się za pomocą aluminium.
Naprężenie sieci spowodowane niedopasowaniem sieci z powodu domieszkowania jest kluczowym czynnikiem. Jest ono szczególnie istotne podczas wytwarzania urządzeń, zwłaszcza na etapie formowania heterostruktury.
Właściwości węglika krzemu (SiC)
Węglik krzemu jest najtwardszym i najlżejszym materiałem ceramicznym, jaki można znaleźć. Jest to związek pochodzący z połączenia krzemu z węglem i jest odporny na kwasy i ługi. Ponadto SiC składa się z kilku właściwości chemicznych, mechanicznych i termicznych, które czynią go odpowiednim materiałem półprzewodnikowym.
Właściwości te obejmują diodę wewnętrzną (urządzenie MOSFET), wysoką wydajność energetyczną, niskie straty przełączania i mocy oraz niską rozszerzalność cieplną. Inne obejmują wyjątkową odporność na szok termiczny oraz wysoką temperaturę roboczą i częstotliwość, która pozwala na pracę w temperaturze około 200℃.
Ponadto ma doskonałe właściwości zarządzania termicznego, co pozwala na zmniejszenie wymagań chłodzenia. Wszystkie te właściwości umożliwiają działanie diod i tranzystorów SiC bez utraty ich skuteczności i niezawodności.
Porównanie krzemu i węglika krzemu w półprzewodnikach
Jedną z zalet półprzewodników z węglika krzemu w porównaniu z półprzewodnikami krzemowymi jest wytrzymałość na przebicie pola elektrycznego. Wytrzymałość na przebicie pola elektrycznego w półprzewodnikach SiC jest 10 razy większa niż w półprzewodnikach krzemowych. Dlatego półprzewodnik wykorzystujący węglik krzemu może konfigurować ekstremalnie wysokie napięcia urządzeń dużej mocy.
Półprzewodniki SiC mają cieńsze warstwy dryfu i wysokie stężenia zanieczyszczeń. Właściwości te ułatwiają mu obsługę napięcia od 600 V do ponad tysiąca woltów. Ponadto półprzewodnik SiC składa się z niezwykle niskiej rezystancji ON na jednostkę powierzchni. Ta niska rezystancja ON wspiera również jego zdolność do wytrzymywania wysokich napięć.
Ponadto rezystancja warstwy dryfu na obszar półprzewodników węglika krzemu może zostać zmniejszona 300-krotnie. To znaczy w porównaniu do półprzewodników krzemowych, gdy są one wystawione na ten sam poziom napięcia. Zazwyczaj półprzewodniki krzemowe muszą być wspierane nośnikami mniejszościowymi, takimi jak IGBT, aby zminimalizować wzrost rezystancji ON.
Jednakże, gdy te tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) są używane jako urządzenia nośne dla półprzewodników krzemowych, straty przełączania wzrastają. W rezultacie wytwarzane jest więcej ciepła, a operacje o wysokiej częstotliwości stają się ograniczone.
Z drugiej strony półprzewodniki SiC wykorzystują urządzenia większościowe (MOSFET i dioda barierowa Schottky'ego), aby wytrzymać wysokie napięcia. Wykorzystuje niższą rezystancję ON, aby jednocześnie ułatwić szybką konstrukcję urządzenia i szybką pracę, jednocześnie wytrzymując wysokie napięcia.
Półprzewodniki z węglika krzemu mają również szerszą przerwę pasmową (3x większą niż półprzewodnik krzemowy). Dzięki temu urządzenia zasilające mogą pracować w wyższych temperaturach i znacznie rozszerzają zakres zastosowań.
Zastosowania półprzewodników SiC
Możesz użyć półprzewodników z węglika krzemu do zasilania modułów, które są używane w aplikacjach o wysokiej wydajności i dużej mocy. Półprzewodniki z węglika krzemu, takie jak tranzystory FET/MOSFET i diody Schottky'ego, są komponentami większości urządzeń do zasilania. Należą do nich ładowarki akumulatorów, konwertery, systemy sterowania silnikami i inwertery.
Półprzewodniki na bazie krzemu mają limit napięcia 900 V. Jednak nie dotyczy to półprzewodnika SiC. Czy jesteś zainteresowany, aby zobaczyć, czym się różnią?
Półprzewodniki z węglika krzemu mogą obsługiwać napięcia sięgające nawet 10 kV. Ponadto niskie straty przełączania obsługują wysokie częstotliwości robocze, co pozwala na osiągnięcie jeszcze wyższej wydajności.
Zastosowanie półprzewodników SiC w inwerterach i przetwornikach może obniżyć straty systemowe o około 50 procent. Obniżają one również rozmiar o 300 procent i całkowity koszt systemu o 20 procent. Ta zdolność do obniżenia całkowitego rozmiaru systemu podkreśla przydatność półprzewodników SiC w aplikacjach wymagających ograniczonej przestrzeni.
Aktualne trendy na rynku węglika krzemu
Produkcja urządzeń SiC przechodzi znaczące postępy. Zauważysz to w jakości podłoży SiC i procesie epitaksji, aby ułatwić wykorzystanie węglika krzemu. Aktywne wysiłki badaczy są podejmowane w celu skorygowania niektórych defektów podłoży SiC, w tym mikrorurek i plam.
Inne wady podłoża, które są korygowane, obejmują błędy układania kryształów, cząstki powierzchniowe i zarysowania, które obniżają wydajność urządzenia SiC. Większa gęstość tych wad jest powstrzymywana przez wysiłki mające na celu utrzymanie stałej jakości podłoża, nawet w przypadku większych płytek SiC.
Jednak wdrożenie tych udoskonaleń poprawi jakość, niezawodność i opłacalność półprzewodników SiC, wśród innych urządzeń SiC. Stwarzając w ten sposób kilka możliwości wzrostu dla rynku SiC. Dalsze udoskonalenia w urządzeniach i technologii SiC obejmują przejście w kierunku tworzenia większych płytek.
Ponadto opracowywanie większych płytek sugeruje zwiększoną adopcję i zastosowanie urządzeń SiC w wysokich temperaturach. elektronika mocy i zastosowań. Ma również potencjał na zwiększony wzrost popytu na tranzystory MOSFET SiC w układach napędowych EV/HEV.
Zastosowania węglika krzemu
Jeśli zastanawiasz się nad obszarami, w których możesz zastosować ten materiał ceramiczny, nie szukaj dalej. Twardość materiału sprawia, że nadaje się on do szerokiego zakresu zastosowań. Oprócz półprzewodników SiC stosuje się w pojazdach elektrycznych, elektronice i fotonice, lotnictwie i wojsku.
Czy wiesz, że komponenty z węglika krzemu mają zastosowanie również w tradycyjnych dziedzinach? Obejmuje to materiały ścierne, narzędzia tnące i materiały ogniotrwałe, między innymi. Odkryjesz również, że SiC odgrywa znaczącą rolę jako składnik części samochodowe - hamulce i sprzęgła.
Jesteś producentem kamizelek kuloodpornych lub kamizelek kuloodpornych? Znajdź wysokiej jakości materiały SiC do swoich produktów, aby przyczynić się do rozwoju wojska tutaj na naszej stronie internetowej. Odporność węglika krzemu na promieniowanie kosmiczne sprawia, że jest to idealny materiał dla przemysłu lotniczego.
Zainteresuje Cię również fakt, że SiC jest stosowany do produkcji dysz rakietowych. Podczas napędów rakietowych dysza rakietowa jest zwykle poddawana intensywnemu ciepłu. Jeśli materiał nie jest w stanie utrzymać ciepła, cała operacja się nie powiedzie.
Są one również wykorzystywane do poprawy efektywności energetycznej w systemach energii odnawialnej. Powinieneś również wiedzieć, że urządzenia oparte na SiC są wykorzystywane w aplikacjach RF o dużej mocy.
Istnieje również wiele nadchodzących postępów w branży technologicznej, szczególnie w związku z rozwojem technologii 5G. Aby sieci 5G działały bezproblemowo, wymagane są aplikacje RF o dużej mocy, które działają na wysokich częstotliwościach.
W związku z tym można z pewnością zauważyć wzrost popytu na węglik krzemu wraz z rozwojem technologii 5G.
Wartość rynkowa węglika krzemu
Najwyższej jakości węglik krzemu, a także inne materiały ceramiczne porowate i tekstylne, znajdziesz w Ceramika GGS. Kilka czynników decyduje o cenie każdego SiC, w tym ziarnistość, typ, siatka, ilość i warunki rynkowe. Jednak otrzymasz wartość za swoje pieniądze kupując węglik krzemu u nas. Możesz wysłać zapytanie już dziś.
Często zadawane pytania (FAQ)
Czy SiC może przewyższać IGBT przy wysokich częstotliwościach?
Tak. SiC może przewyższyć tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) przy wysokich częstotliwościach. IGBT były używane w przeszłości jako nośniki pomocnicze dla półprzewodników krzemowych w celu tłumienia wzrostu rezystancji ON. Jednak przejście na SiC nastąpiło, gdy naukowcy odkryli, że półprzewodniki z węglika krzemu mają naturalnie niską rezystancję ON jako właściwość.
Dlaczego SiC wytrzymuje wysokie napięcia?
Powodem, dla którego półprzewodniki z węglika krzemu mogą wytrzymywać wysokie napięcia, jest ich wytrzymałość na przebicie w polu elektrycznym. W porównaniu do intensywności przebicia dielektrycznego półprzewodników krzemowych w polach elektrycznych, wytrzymałość urządzeń SiC jest 10 razy wyższa. Zatem półprzewodniki SiC wytrzymują wyższe napięcia w zakresie od 600 V do ponad tysiąca woltów.
Jak czas odzyskiwania energii z SiC wypada w porównaniu z Si?
Dioda korpusu MOSFET SiC ma niezwykle szybki czas odzyskiwania odwrotnego (trr), którego wartości są pomijalnie małe. Strata energii (Err) jest również zredukowana do znacznego poziomu w porównaniu z MOSFET Si.
Wniosek
Półprzewodniki SiC szybko stają się przełomem w branży półprzewodników, a im szybciej dostosujesz się do tego trendu, tym szybciej zobaczysz korzyści. Oprócz mnóstwa innych korzyści, SiC może wytrzymać więcej ciepła w porównaniu do półprzewodników krzemowych, co czyni go bardziej niezawodnym materiałem do użytku.