Введение
Полупроводники из карбида кремния (SiC) стали более заметными в полупроводниковой промышленности. В прошлом полупроводники использовали кремний в качестве основного базового материала. Однако с появлением карбида кремния (SiC) полупроводники стали более функциональными, долговечными и эффективными.
В этой статье подробно объясняется, что такое карбид кремния и почему он в последнее время стал важным элементом в полупроводниковой промышленности.
Что такое карбид кремния (SiC)
Карбид кремния (SiC) — керамический материал, который в основном используется для производства нагревательных элементов в обрабатывающей промышленности. Торговое название этого полупроводникового материала — Carborundum. Некоторые из производственных элементов, которые этот керамический материал используется для производства тиглей, сопел горелок и подшипников скольжения.
Другие элементы, производимые из SiC, включают в себя сменные детали, уплотнительные кольца, теплообменники и спекающие добавки. Итак, чтобы ответить на главный вопрос: «Почему недавнее внедрение SiC в полупроводники?», ответ заключается в том, что полупроводники из карбида кремния обеспечивают более высокую подвижность электронов и более высокую теплопроводность, при этом обеспечивая более низкие потери мощности.
Легирование SiC
Сравнение SiC и других полупроводниковых материалов с широкими запрещенными зонами показывает, что SiC обрабатывает более высокие концентрации широких легирующих примесей. Вам может быть интересно узнать, что существует высокая вероятность этого посредством ионной имплантации или легирования in-situ.
В большинстве случаев легирование SiC использует примеси донорного типа, такие как фосфор и азот. Примеси акцепторного типа, такие как галлий, бор и алюминий, также обычно используются для увеличения проводимости электричества. Азот заменяет углерод, а кремний заменяется бором, алюминием и фосфором в решетке SiC.
При легировании азотом SiC образует полупроводник n-типа. Между тем, полупроводник p-типа получается в результате легирования бором, алюминием и фосфором. Параметр решетки этого полупроводникового материала имеет тенденцию изменяться в зависимости от плотности легирования и легирующей примеси.
Другим фактором, вызывающим изменения параметра решетки, является температура, при которой возможно образование кристаллов. При легировании SiC азотом наблюдается сужение решетки. Напротив, при легировании алюминием обычно наблюдается расширение решетки.
Решеточное напряжение, вызванное несоответствием в решетке из-за легирования, является решающим фактором. Оно особенно существенно при изготовлении устройств, в частности, на этапе формирования гетероструктуры.
Свойства карбида кремния (SiC)
Карбид кремния — самый твердый и самый легкий керамический материал, который вы можете найти. Это соединение, полученное путем соединения кремния с углеродом, и оно устойчиво к кислотам и щелочам. Кроме того, SiC состоит из нескольких химических, механических и термических свойств, которые делают его подходящим полупроводниковым материалом.
Эти свойства включают внутренний диод (устройство MOSFET), высокую энергоэффективность, низкие потери переключения и мощности, а также низкое тепловое расширение. Другие включают выдающуюся стойкость к тепловому удару и высокую рабочую температуру и частоту, что позволяет ему работать при температуре около 200℃.
Кроме того, он обладает превосходными свойствами терморегулирования, что позволяет снизить требования к охлаждению. Все эти свойства позволяют диодам и транзисторам SiC работать без потери эффективности и надежности.
Сравнение кремния и карбида кремния в полупроводниках
Одним из преимуществ полупроводников из карбида кремния перед кремниевыми полупроводниками является сила пробоя электрического поля. Сила пробоя электрического поля в полупроводниках SiC в 10 раз больше, чем у кремниевых полупроводников. Таким образом, полупроводник, использующий карбид кремния, может формировать чрезвычайно высокие напряжения мощных устройств.
Полупроводники SiC имеют более тонкие дрейфовые слои и высокую концентрацию примесей. Эти свойства облегчают его способность выдерживать напряжение от 600 В до более тысячи вольт. Кроме того, полупроводник SiC имеет чрезвычайно низкое сопротивление включения на единицу площади. Это низкое сопротивление включения также поддерживает его способность выдерживать высокие напряжения.
Кроме того, сопротивление дрейфового слоя на единицу площади полупроводников из карбида кремния может быть уменьшено в 300 раз. То есть, по сравнению с кремниевыми полупроводниками, когда они подвергаются воздействию того же уровня напряжения. Обычно кремниевые полупроводники должны поддерживаться неосновными носителями, такими как IGBT, чтобы минимизировать увеличение сопротивления в открытом состоянии.
Однако, когда эти биполярные транзисторы с изолирующим затвором (IGBT) используются в качестве носителей для кремниевых полупроводников, потери переключения увеличиваются. В результате выделяется больше тепла, а высокочастотные операции становятся ограниченными.
С другой стороны, SiC-полупроводники используют основные носители заряда (MOSFET и диод с барьером Шоттки), чтобы выдерживать высокие напряжения. Он использует более низкое сопротивление в открытом состоянии, чтобы одновременно способствовать высокоскоростному устройству и высокоскоростным операциям, выдерживая высокие напряжения.
Полупроводники на основе карбида кремния также имеют более широкую запрещенную зону (в 3 раза больше, чем у кремниевых полупроводников). Это позволяет силовым устройствам работать при более высоких температурах и значительно расширяет область применения.
Использование SiC-полупроводников
Вы можете использовать полупроводники из карбида кремния для питания модулей, которые используются в высокоэффективных и мощных приложениях. Полупроводники из карбида кремния, такие как транзисторы FET/MOSFET и диоды Шоттки, являются компонентами большинства устройств для электропитания. К ним относятся зарядные устройства для аккумуляторов, преобразователи, системы управления двигателями и инверторы.
Полупроводники на основе кремния имеют предел напряжения 900 В. Однако это не относится к полупроводникам SiC. Вам интересно узнать, чем они отличаются?
Полупроводники из карбида кремния могут выдерживать напряжения до 10 кВ. Кроме того, низкие потери переключения поддерживают высокие рабочие частоты, что позволяет достичь еще более высокой эффективности.
Применение SiC-полупроводников в инверторах и преобразователях может снизить потери системы примерно на 50 процентов. Они также уменьшают размер на 300 процентов и общую стоимость системы на 20 процентов. Эта способность уменьшать общий размер системы подчеркивает полезность SiC-полупроводников в чувствительных к пространству приложениях.
Текущие тенденции рынка карбида кремния
Производство устройств SiC переживает заметные успехи. Вы заметите это по качеству подложек SiC и процессу эпитаксии для облегчения использования карбида кремния. Исследователи прилагают активные усилия для исправления определенных дефектов подложек SiC, включая микротрубки и пятна.
Другие дефекты подложки, которые исправляются, включают кристаллические дефекты упаковки, поверхностные частицы и царапины, которые снижают производительность SiC-устройства. Более высокая плотность этих дефектов противостоит усилиям по поддержанию постоянного качества подложки, даже с более крупными SiC-пластинами.
Однако внедрение этих достижений повысит качество, надежность и экономическую эффективность полупроводников SiC, среди других устройств SiC. Таким образом, создается несколько возможностей для роста рынка SiC. Дальнейшие достижения в устройствах и технологиях SiC включают сдвиг в сторону создания более крупных пластин.
Более того, разработка более крупных пластин предполагает более широкое внедрение и применение устройств SiC в высоких силовая электроника и приложения. Это также несет в себе потенциал для повышенного роста спроса на SiC MOSFET в силовых агрегатах EV/HEV.
Применение карбида кремния
Если вы задаетесь вопросом о областях, где можно применять этот керамический материал, то не ищите дальше. Твердость материала делает его пригодным для широкого спектра применений. Помимо полупроводников, SiC применяется в электромобилях, электронике и фотонике, аэрокосмической и военной промышленности.
Знаете ли вы, что компоненты из карбида кремния применяются также и в традиционных областях? Это включает в себя абразивы, режущие инструменты и огнеупорные материалы, среди прочего. Вы также обнаружите, что SiC играет важную роль как компонент автомобильные детали - тормоза и сцепления.
Вы производитель бронежилетов или бронежилетов? Найдите качественные материалы SiC для своей продукции, чтобы внести вклад в армию, здесь, на нашем сайте. Устойчивость карбида кремния к космической радиации делает его идеальным материалом для аэрокосмической промышленности.
Вам также будет интересно узнать, что SiC применяется для изготовления ракетных сопел. Во время работы ракетных двигателей ракетное сопло обычно подвергается сильному нагреву. Если материал не способен удерживать тепло, вся операция потерпит неудачу.
Они также используются для повышения энергоэффективности в системах возобновляемой энергии. Вы также должны знать, что устройства на основе SiC используются в мощных радиочастотных приложениях.
Также есть много будущих достижений в технологической отрасли, особенно с развитием технологии 5G. Для бесперебойной работы сетей 5G требуются мощные радиочастотные приложения, работающие на высоких частотах.
Таким образом, вы наверняка заметите рост спроса на карбид кремния в связи с расширением внедрения технологии 5G.
Рыночная стоимость карбида кремния
Вы можете найти карбид кремния высочайшего качества, а также другие пористые и текстильные керамические материалы, на сайте GGSкерамика. Несколько факторов определяют цену каждого SiC, включая зернистость, тип, сетку, количество и рыночные условия. Тем не менее, вы получаете выгоду от покупки карбида кремния у нас. Не стесняйтесь отправлять запрос сегодня.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Может ли SiC превзойти IGBT на высоких частотах?
Да. SiC может превзойти биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) на высоких частотах. IGBT использовались в прошлом в качестве второстепенных носителей для кремниевых полупроводников для подавления увеличения сопротивления в открытом состоянии. Однако переход на SiC был сделан, когда исследователи обнаружили, что полупроводники из карбида кремния имеют естественно низкое сопротивление в открытом состоянии как свойство.
Почему SiC может выдерживать высокие напряжения?
Причина, по которой полупроводники из карбида кремния могут выдерживать высокие напряжения, заключается в их электрической прочности пробоя поля. По сравнению с диэлектрической прочностью пробоя кремниевых полупроводников для электрических полей прочность устройств SiC в 10 раз выше. Таким образом, полупроводники SiC выдерживают более высокие напряжения в диапазоне от 600 В до более тысячи вольт.
Каково время обратного восстановления SiC по сравнению с Si?
Диод SiC MOSFET имеет чрезвычайно быстрое время обратного восстановления (trr) со значениями, пренебрежимо малыми. Потери энергии (Err) также снижены до значительного уровня по сравнению с Si MOSFET.
Заключение
Полупроводники SiC быстро становятся игроками, меняющими правила игры в полупроводниковой промышленности, и чем раньше вы присоединитесь к этой тенденции, тем быстрее увидите преимущества. Наряду с множеством других преимуществ, SiC может выдерживать больше тепла по сравнению с кремниевыми полупроводниками, что делает его более надежным материалом для использования.