الجيل الثالث من أشباه الموصلات SiC

SiC هو الجيل الثالث من مادة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض، والتي تتمتع بمزايا أكثر من Si في الخصائص الفيزيائية مثل عرض فجوة النطاق، وقوة مجال الانهيار، وسرعة انجراف تشبع الإلكترون، وما إلى ذلك. تتمتع أجهزة SiC المعدة مثل الثنائيات والترانزستورات ووحدات الطاقة خصائص كهربائية أفضل، والتي يمكنها التغلب على عيوب قاعدة السيليكون التي لا يمكنها تلبية متطلبات التطبيق للطاقة العالية، والجهد العالي، والتردد العالي، ودرجة الحرارة العالية، وما إلى ذلك. كما أنه أحد المسارات الخارقة التي يمكن أن تتجاوز قانون مور، لذلك يستخدم على نطاق واسع في مجال الطاقة الجديدة (الخلايا الكهروضوئية، وتخزين الطاقة، وأكوام الشحن، والمركبات الكهربائية، وغيرها).

1، ما هو كربيد السيليكا؟

تنقسم مواد أشباه الموصلات عادةً إلى ثلاثة أجيال وفقًا للترتيب الزمني للبحث والتطبيق واسع النطاق.

الجيل الأول: في الأربعينيات من القرن العشرين، بدأ استخدام السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge). يعتبر السيليكون، بما يحتويه من احتياطيات طبيعية كبيرة وعملية تحضير بسيطة، هو مادة أشباه الموصلات ذات الإنتاج الأكبر والأكثر استخدامًا في الوقت الحاضر. يتم استخدامه في الدوائر المتكاملة، التي تشمل جميع جوانب الإنتاج البشري والحياة مثل الصناعة والتجارة والنقل والعلاج الطبي والعسكري. ومع ذلك، هناك اختناق كبير في تطبيق الأجهزة عالية التردد والطاقة العالية والأجهزة الإلكترونية البصرية.

الجيل الثاني: في ستينيات القرن العشرين، تم استخدام زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الإنديوم (InP) لإنتاج أجهزة إلكترونية عالية السرعة وعالية الطاقة وباعثة للضوء في مجال الإلكترونيات الضوئية والالكترونيات الدقيقة والترددات الراديوية، والتي يمكن تطبيقها على اتصالات الأقمار الصناعية والاتصالات المحمولة والاتصالات البصرية والملاحة عبر نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وما إلى ذلك. نظرًا للندرة والسعر المرتفع والسمية والتلوث البيئي لمواد GaAs وInP، فإن تطبيق مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني له قيود معينة.

الجيل الثالث: في الثمانينيات، تطورت أشباه الموصلات واسعة النطاق (على سبيل المثال > 2.3eV) المتمثلة في كربيد السيليكون (SiC)، ونيتريد الغاليوم (GaN)، والماس (C) بسرعة، مع مزايا مثل المجال الكهربائي عالي الانهيار، وارتفاع درجة الحرارة. الموصلية الحرارية، ومعدل تشبع الإلكترون العالي، والقدرة القوية على مقاومة الإشعاع، وتلبية سيناريوهات الجهد العالي والتردد العالي. يستخدم في أجهزة الطاقة ذات الجهد العالي وأجهزة 5G RF وغيرها من المجالات.

بالمقارنة مع مواد Si، المزايا الرئيسية لـ SiC هي:

• يحتوي SiC على 3 أضعاف عرض فجوة النطاق من Si، مما يقلل من التسرب ويزيد من درجة الحرارة المسموح بها.
• يتمتع SiC بقوة مجال انهيار تبلغ 10 أضعاف Si، ويمكنه تحسين كثافة التيار وتردد التشغيل وقدرة الجهد وتقليل فقد التشغيل والإيقاف، وهو أكثر ملاءمة لتطبيقات الجهد العالي.
• يحتوي SiC على ضعف سرعة انجراف تشبع الإلكترون لـ Si، لذلك يمكنه العمل بتردد أعلى.
• يتمتع SiC بثلاثة أضعاف التوصيل الحراري لـ Si، وأداء أفضل لتبديد الحرارة، ويمكن أن يدعم كثافة الطاقة العالية ويقلل متطلبات تبديد الحرارة، مما يجعل الجهاز أخف وزنًا. لذلك، تتمتع مادة SiC بمزايا أداء مادية واضحة، ويمكن أن تلبي متطلبات الإلكترونيات الحديثة لدرجة الحرارة العالية والطاقة العالية والضغط العالي والتردد العالي ومقاومة الإشعاع وغيرها من الظروف القاسية، ومناسبة لأجهزة تردد الراديو 5G وأجهزة الطاقة ذات الجهد العالي، كاملة مجال الطاقة الجديد (الخلايا الكهروضوئية، وتخزين الطاقة، وكومة الشحن، والمركبات الكهربائية، وما إلى ذلك) لوزن خفيف، وكفاءة عالية في استخدام الطاقة، وقوة دافعة عالية ومتطلبات أخرى.

2، لماذا نستخدم SiC كجهاز؟ تشتمل أجهزة SiC على الثنائيات والترانزستورات ووحدات الطاقة.

في عام 2001، كانت شركة Infineon أول من أطلق منتجات SiC JBS. في عام 2008، أصدرت شركة Semisouth أول جهاز SiC JFET مغلق بشكل دائم. في عام 2010، قامت ROHM بإنتاج أول منتجات SiC MOSFET بكميات كبيرة؛ في عام 2011، بدأت شركة Cree في بيع وحدات MOSFET من SiC، وفي عام 2015 واصلت ROHM تحسين إطلاق وحدات MOSFET ذات البوابة المحززة. في الوقت الحاضر، يعد الصمام الثنائي SiC SBD وترانزستور MOSFET حاليًا الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، وأعلى نضج صناعي، وSiC IGBT وGTO وغيرها من الأجهزة بسبب الصعوبة التقنية الأكبر، لا تزال في مرحلة البحث والتطوير، وهناك فجوة كبيرة من تصنيع.

جهاز SiC بسبب خصائصه المادية لأداء كهربائي متفوق:

• التشغيل/الإيقاف، فقدان التبديل/الاسترداد أقل: فجوة النطاق الواسعة تجعل تيار تسرب جهاز SiC أقل، وفي ظل نفس ظروف الجهد، تبلغ مقاومة جهاز SiC حوالي 1/200 من الأجهزة القائمة على السيليكون، وبالتالي فإن فقدان التشغيل أقل؛ تنتج Si FRDS وSi MOSFETs تيارات عابرة كبيرة عندما تتحول من التحيز الأمامي إلى التحيز العكسي، وخسائر كبيرة عند الانتقال إلى التحيز العكسي. في حين أن وحدات SiC SBD وSiC MOSFETs هي معظم الأجهزة الحاملة، فإن الاسترداد العكسي سوف يتدفق فقط من خلال درجة تفريغ مكثف الوصلة للتيار الصغير. علاوة على ذلك، فإن التيار العابر لا يتأثر تقريبًا بدرجة الحرارة والتيار الأمامي، ويمكن تحقيق الاسترداد العكسي المستقر والسريع (أقل من 20ns) تحت أي ظروف بيئية. وفقًا لـ ROHM، يمكن لوحدة SiC MOSFET+SBD تقليل الخسارة أثناء التشغيل (Eon) بنسبة 34%، وبالتالي فإن خسارة الاسترداد منخفضة؛ لا تحتوي أجهزة SiC على تيار زائد أثناء عملية إيقاف التشغيل، ووفقًا لـ ROHM، يمكن لوحدة SiC MOSFET+SBD تقليل خسارة إيقاف التشغيل (Eoff) بنسبة 88%، وبالتالي تكون خسارة التبديل أقل.
• يمكن تصغير الجهاز: يحدد عرض فجوة نطاق SiC أنه يمكنه إنتاج جهاز طاقة عالي الجهد أعلى من 600 فولت مع تركيز منشطات أعلى وطبقة انجراف ذات سماكة رقيقة (للمنتجات التي لها نفس مقاومة الجهد ونفس مقاومة التشغيل، حجم الشريحة أصغر)؛ معدل انجراف الإلكترون المشبع SiC مرتفع، لذلك يمكن لجهاز SiC تحقيق تردد تشغيل أعلى وكثافة طاقة أعلى، لأن زيادة التردد تقلل من حجم المكونات الطرفية مثل المحاثات والمحولات، وبالتالي تقليل الحجم وتكاليف المكونات الأخرى بعد تكوين نظام. يتمتع SiC بفجوة نطاق واسعة وموصلية حرارية كبيرة، والتي لا تعمل بثبات في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة فحسب، بل تسهل أيضًا على الجهاز تبديد الحرارة، لذلك لديه متطلبات أقل لنظام تبديد الحرارة.
• الاستقرار الحراري لأجهزة SiC: جهد فتح SiC SBD وSi FRD أقل من 1 فولت، لكن اعتماد درجة حرارة SiC SBD يختلف عن اعتماد Si FRD: كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت مقاومة التوصيل، كلما زادت قيمة VF تصبح أكبر، ولن يحدث عدم التحكم في الحرارة، مما يحسن سلامة وموثوقية النظام. في ظل نفس ظروف درجة الحرارة، IF = 10A، مقارنة جهد التوصيل الإيجابي لصمام ثنائي SiC والسيليكون، انخفاض جهد توصيل الصمام الثنائي SiC Schottky هو 1.5 فولت، انخفاض جهد توصيل الصمام الثنائي للاسترداد السريع للسيليكون هو 1.7 فولت، أداء مادة SiC أفضل من مادة السيليكون. بالإضافة إلى ذلك، ستصبح مقاومة الطبقة الانجرافية لـ Si MOSFET ضعف المقاومة الأصلية عندما ترتفع درجة الحرارة 100 درجة مئوية، لكن مقاومة الطبقة الانجرافية لـ SiC MOSFET صغيرة، والمقاومات الأخرى مثل مقاومة القناة ستنخفض قليلاً عند درجة حرارة عالية، و مقاومة الركيزة n+ لا تعتمد تقريبًا على درجة الحرارة، لذلك ليس من السهل زيادة المقاومة في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة.

يتمتع كربيد السيليكون بمزاياه في مجالات الأداء والتطبيق، مثل:

1). نقطة انصهار عالية وموصلية حرارية: يتمتع كربيد السيليكون بنقطة انصهار عالية جدًا وموصلية حرارية، مما يجعله يعمل بشكل جيد في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة. وفي المقابل، تميل مواد أشباه الموصلات السيليكونية التقليدية إلى فقدان أدائها عند درجات الحرارة المرتفعة. كما أن مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث الأخرى، مثل نيتريد الغاليوم (GaN) وأكسيد الزنك (ZnO)، تؤدي أداءً جيدًا أيضًا في بعض التطبيقات المحددة، لكن استقرار وأداء كربيد السيليكون في درجات الحرارة المرتفعة يظل ميزته الفريدة.

2). فجوة واسعة النطاق: يحتوي كربيد السيليكون على فجوة كبيرة في النطاق، مما يؤدي إلى أن هيكل مستوى الطاقة الإلكتروني له خصائص فريدة. وهذا يسمح لكربيد السيليكون بتحقيق سرعات انجراف أعلى للتشبع الإلكتروني في الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة وعالية التردد، وبالتالي تقليل فقد الطاقة. في المقابل، فإن نيتريد الغاليوم وأكسيد الزنك لديهم فجوات نطاق أصغر وأقل ملاءمة لتطبيقات الطاقة العالية.

3). سرعة تشبع المجال الكهربائي العالية: لا يزال بإمكان إلكترونات كربيد السيليكون الحفاظ على سرعة عالية تحت مجال كهربائي مرتفع، ولا يمكن تقييدها بسهولة بالمجال الكهربائي. وهذا يمنح كربيد السيليكون أداءً ممتازًا في التطبيقات عالية التردد، مثل مضخمات طاقة التردد اللاسلكي وأجهزة الميكروويف. في المقابل، في حين أن نيتريد الغاليوم يتمتع أيضًا بمزايا في مجال التردد العالي، إلا أن كربيد السيليكون لا يزال يتمتع بقدرة حركة إلكترونية أعلى.

4). قوة المجال الكهربائي عالية الانهيار: قوة المجال الكهربائي للانهيار لكربيد السيليكون عالية جدًا، مما يعني أنه يمكن أن يعمل تحت مجال كهربائي عالي دون فقدان الأداء. وهذا مهم لتطبيقات الجهد العالي، وإلكترونيات الطاقة، وأنظمة نقل الطاقة. في المقابل، تتمتع مواد أشباه الموصلات الأخرى من الجيل الثالث بقوة مجال كهربائي أقل.

5). أداء الترددات الراديوية: يعمل كربيد السيليكون بشكل جيد في مجال الترددات الراديوية، مع فقد منخفض وقدرة حمل عالية للطاقة. وهذا يجعلها تستخدم على نطاق واسع في الاتصالات اللاسلكية ونظام الرادار والمعدات الإلكترونية عالية التردد. في المقابل، قد تحتوي مواد أشباه الموصلات الأخرى من الجيل الثالث على خصائص RF ضعيفة.

فونتيل تكنولوجيز بي تي إي. المحدودة. هي مؤسسة حديثة في مجال البحث والتطوير لمجموعة السيراميك المتقدمة والتصنيع والمبيعات كواحدة، وتنتج بشكل رئيسي السيراميك المسامي والألومينا والزركونيا ونيتريد السيليكون وكربيد السيليكون ونيتريد الألومنيوم والسيراميك العازل للميكروويف وغيرها من المواد الخزفية المتقدمة. يتمتع خبير التكنولوجيا الياباني المدعو خصيصًا لدينا بأكثر من 30 عامًا من الخبرة الصناعية في مجال أشباه الموصلات، ويقدم بكفاءة حلول تطبيقات السيراميك الخاصة مع مقاومة التآكل، ومقاومة التآكل، ومقاومة درجات الحرارة العالية، والتوصيل الحراري العالي، والعزل للعملاء المحليين والأجانب.