Introdução
Semicondutores de carboneto de silício (SiC) tornaram-se mais proeminentes na indústria de semicondutores. No passado, um semicondutor utilizava silício como principal material de base. No entanto, desde a introdução do carboneto de silício (SiC), os semicondutores parecem ser mais funcionalmente eficientes, duráveis e eficazes.
Este artigo fornece uma boa explicação sobre o que é carboneto de silício e por que ele se tornou recentemente um elemento importante na indústria de semicondutores.
O que é carboneto de silício (SiC)
O carboneto de silício (SiC) é um material cerâmico utilizado principalmente na produção de elementos de aquecimento na indústria de manufatura. O nome comercial deste material semicondutor é Carborundum. Alguns dos elementos de fabricação que este... material cerâmico é usado para produzir cadinhos, bicos de queimadores e mancais deslizantes.
Outros elementos produzidos a partir do SiC incluem peças de desgaste, anéis de vedação, trocadores de calor e auxiliares de sinterização. Portanto, para responder à grande pergunta: "Por que a recente adoção do SiC em semicondutores?", a resposta é: os semicondutores de carboneto de silício oferecem maior mobilidade de elétrons e maior condutividade térmica, garantindo, ao mesmo tempo, menores perdas de potência.
Dopagem de SiC
Uma comparação entre SiC e outros materiais semicondutores com amplas lacunas de banda mostra que o SiC lida com concentrações mais altas de dopantes largos. Talvez seja interessante saber que há uma alta probabilidade disso ocorrer por meio de implantação iônica ou dopagem in situ.
Na maioria dos casos, a dopagem do SiC utiliza impurezas do tipo doador, como fósforo e nitrogênio. Impurezas do tipo aceitador, como gálio, boro e alumínio, também são comumente utilizadas para aumentar a condução elétrica. O nitrogênio substitui o carbono, enquanto o silício é substituído por boro, alumínio e fósforo na estrutura do SiC.
Quando dopado com nitrogênio, o SiC produz um semicondutor do tipo n. Já um semicondutor do tipo p é o resultado da dopagem com boro, alumínio e fósforo. O parâmetro de rede desse material semicondutor tende a mudar com base na densidade da dopagem e no dopante.
Outro fator que causa alterações em seus parâmetros de rede é a temperatura que permite a formação de cristais. Quando o SiC é dopado com nitrogênio, observa-se uma contração da rede. Em contraste, uma expansão da rede geralmente ocorre quando a dopagem é feita com alumínio.
O estresse na rede causado por uma incompatibilidade na rede devido à dopagem é um fator crucial. É especialmente significativo durante a fabricação de dispositivos, particularmente durante a fase de formação da heteroestrutura.
Propriedades do Carboneto de Silício (SiC)
O carboneto de silício é o material cerâmico mais duro e leve que você pode encontrar. É um composto derivado da combinação de silício com carbono e é resistente a ácidos e lixívias. Além disso, o SiC possui diversas propriedades químicas, mecânicas e térmicas que o tornam um material semicondutor adequado.
Essas propriedades incluem diodo de corpo intrínseco (dispositivo MOSFET), alta eficiência energética, baixas perdas de comutação e potência e baixa expansão térmica. Outras incluem excelente resistência ao choque térmico e alta temperatura e frequência de operação, que permitem operar em torno de 200°C.
Além disso, possui excelentes propriedades de gerenciamento térmico, permitindo uma redução na necessidade de resfriamento. Todas essas propriedades permitem que diodos e transistores de SiC funcionem sem perder sua eficácia e confiabilidade.
Comparação entre silício e carboneto de silício em semicondutores
Uma vantagem dos semicondutores de carboneto de silício sobre os semicondutores de silício é a intensidade da ruptura do campo elétrico. A intensidade da ruptura do campo elétrico em semicondutores de SiC é 10 vezes maior que a de um semicondutor de silício. Portanto, um semicondutor que utiliza carboneto de silício pode configurar as tensões extremamente altas de dispositivos de alta potência.
Semicondutores de SiC possuem camadas de deriva mais finas e altas concentrações de impurezas. Essas propriedades facilitam sua capacidade de lidar com tensões entre 600 V e mais de mil volts. Além disso, um semicondutor de SiC é composto por uma resistência ON por unidade de área extremamente baixa. Essa baixa resistência ON também reforça sua capacidade de suportar altas tensões.
Além disso, a resistência da camada de deriva por área dos semicondutores de carboneto de silício pode ser reduzida em 300x, ou seja, em comparação com os semicondutores de silício quando expostos ao mesmo nível de tensão. Normalmente, os semicondutores de silício precisam ser suportados por portadores minoritários, como IGBTs, para minimizar o aumento da resistência ON.
No entanto, quando esses Transistores Bipolares de Porta Isolante (IGBTs) são usados como dispositivos portadores para semicondutores de silício, as perdas de comutação aumentam. Consequentemente, mais calor é gerado e as operações de alta frequência ficam limitadas.
Por outro lado, os semicondutores de SiC utilizam dispositivos de portadora majoritária (MOSFET e diodo de barreira Schottky) para suportar altas tensões. Eles empregam menor resistência ON para facilitar simultaneamente a construção de dispositivos de alta velocidade e operações de alta velocidade, ao mesmo tempo em que suportam altas tensões.
Os semicondutores de carboneto de silício também possuem uma banda proibida mais ampla (3x a de um semicondutor de silício), permitindo que dispositivos de energia operem em temperaturas mais altas e expandindo consideravelmente sua aplicabilidade.
Usos de semicondutores de SiC
Você pode usar semicondutores de carboneto de silício para alimentar módulos utilizados em aplicações de alta eficiência e alta potência. Semicondutores de carboneto de silício, como transistores FET/MOSFET e diodos Schottky, são componentes da maioria dos dispositivos de alimentação. Eles incluem carregadores de bateria, conversores, sistemas de controle de motores e inversores.
Semicondutores à base de silício têm um limite de tensão de 900 V. No entanto, este não é o caso de um semicondutor de SiC. Você tem interesse em ver as diferenças?
Semicondutores de carboneto de silício podem suportar tensões de até 10 kV. Além disso, as baixas perdas de comutação suportam altas frequências de operação, permitindo eficiências ainda maiores.
A aplicação de semicondutores de SiC em inversores e conversores pode reduzir as perdas do sistema em aproximadamente 50%. Eles também reduzem o tamanho do sistema em 300% e o custo total em 20%. Essa capacidade de reduzir o tamanho geral do sistema destaca a utilidade dos semicondutores de SiC em aplicações com espaço limitado.
Tendências atuais do mercado de carboneto de silício
A fabricação de dispositivos de SiC está passando por avanços notáveis. Você notará isso na qualidade dos substratos de SiC e no processo de epitaxia para facilitar o uso do carboneto de silício. Pesquisadores estão se esforçando ativamente para corrigir certos defeitos do substrato de SiC, incluindo microtubulações e manchas.
Outros defeitos do substrato que estão sendo corrigidos incluem falhas de empilhamento cristalino, partículas superficiais e arranhões que reduzem o desempenho do dispositivo de SiC. Uma maior densidade desses defeitos está sendo combatida por meio de esforços para manter a qualidade consistente do substrato, mesmo com wafers de SiC maiores.
No entanto, a implementação desses avanços aumentará a qualidade, a confiabilidade e a relação custo-benefício dos semicondutores de SiC, entre outros dispositivos de SiC. Assim, criará diversas oportunidades de crescimento para o mercado de SiC. Novos avanços em dispositivos e tecnologia de SiC representam uma mudança rumo à criação de wafers maiores.
Além disso, o desenvolvimento de wafers maiores sugere uma maior adoção e aplicação de dispositivos de SiC em alta eletrônica de potência e aplicações. Também apresenta potencial para o aumento acentuado da demanda por MOSFETs de SiC em sistemas de propulsão de veículos elétricos (VEs)/veículos elétricos de alta eficiência (HEVs).
Aplicações do Carboneto de Silício
Se você está se perguntando sobre as áreas onde este material cerâmico pode ser aplicado, não procure mais. A dureza do material o torna adequado para uma ampla gama de aplicações. Além de semicondutores, o SiC é aplicável a veículos elétricos, eletrônica e fototônica, aeroespacial e militar.
Você sabia que os componentes de carboneto de silício também se aplicam a campos tradicionais? Isso inclui abrasivos, ferramentas de corte e materiais refratários, entre outros. Você também descobrirá que o SiC desempenha um papel significativo como componente de peças automotivas - freios e embreagens.
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Também será interessante saber que o SiC é aplicado na fabricação de bicos de foguetes. Durante a propulsão de foguetes, o bico do foguete é geralmente submetido a calor intenso. Se o material não for capaz de conter o calor, toda a operação falhará.
Eles também são usados para melhorar a eficiência energética em sistemas de energia renovável. Você também deve saber que dispositivos baseados em SiC são usados em aplicações de RF de alta potência.
Há também muitos avanços futuros no setor de tecnologia, especialmente com o desenvolvimento da tecnologia 5G. Para que as redes 5G funcionem perfeitamente, são necessárias aplicações de RF de alta potência que operem em altas frequências.
Portanto, você certamente notará um aumento na demanda por carboneto de silício após uma expansão na adoção da tecnologia 5G.
Valor de mercado do carboneto de silício
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Perguntas Frequentes (FAQs)
O SiC pode superar o IGBT em altas frequências?
Sim. O SiC pode superar os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) em altas frequências. Os IGBTs foram usados no passado como portadores secundários para semicondutores de silício para reprimir o aumento da resistência ON. No entanto, a mudança para o SiC ocorreu quando pesquisadores descobriram que os semicondutores de carboneto de silício tinham, naturalmente, baixa resistência ON como propriedade.
Por que o SiC pode suportar altas tensões?
A razão pela qual os semicondutores de carboneto de silício podem suportar altas tensões é sua resistência à ruptura do campo elétrico. Comparada à intensidade de ruptura dielétrica dos semicondutores de silício para campos elétricos, a resistência dos dispositivos de SiC é 10 vezes maior. Assim, os semicondutores de SiC suportam tensões mais altas, variando de 600 V a mais de mil volts.
Como o tempo de recuperação reversa do SiC se compara ao Si?
O diodo com corpo MOSFET de SiC apresenta um tempo de recuperação reversa (trr) extremamente rápido, com valores insignificantes. A perda de energia (Err) também é reduzida a um nível considerável em comparação com o MOSFET de Si.
Conclusão
Os semicondutores de SiC estão rapidamente se tornando um divisor de águas na indústria de semicondutores, e quanto mais cedo você se alinhar a essa tendência, mais rápido verá os benefícios. Além de uma infinidade de outros benefícios, o SiC pode suportar mais calor em comparação com os semicondutores de silício, tornando-o um material mais confiável para uso.