SiC semiconductor de tercera generación

SiC es el material semiconductor de banda prohibida ancha de tercera generación, que tiene más ventajas que el Si en características físicas como ancho de banda prohibida, intensidad de campo de ruptura, velocidad de deriva de saturación de electrones, etc. Los dispositivos de SiC preparados, como diodos, transistores y módulos de potencia, tienen mejores características eléctricas, que pueden superar los defectos de la base de silicio que no puede cumplir con los requisitos de aplicación de alta potencia, alto voltaje, alta frecuencia, alta temperatura, etc. También es uno de los caminos revolucionarios que pueden superar la Ley de Moore, por lo que se utiliza ampliamente en el campo de las nuevas energías (fotovoltaica, almacenamiento de energía, pilas de carga, vehículos eléctricos, etc.).

1, ¿Qué es el SiC?

Los materiales semiconductores suelen dividirse en tres generaciones según el orden cronológico de investigación y aplicación a gran escala.

La primera generación: En los años 40 se empezó a utilizar el silicio (Si) y el germanio (Ge). El silicio, con sus grandes reservas naturales y su sencillo proceso de preparación, es el material semiconductor de mayor producción y el más utilizado en la actualidad. Se utiliza en circuitos integrados, que involucran todos los aspectos de la producción y la vida humana, como la industria, el comercio, el transporte, el tratamiento médico y el ejército. Sin embargo, existe un gran cuello de botella en la aplicación de dispositivos optoelectrónicos de alta frecuencia y alta potencia.

La segunda generación: en la década de 1960, el arseniuro de galio (GaAs) y el fosfuro de indio (InP) se utilizaron para producir dispositivos electrónicos de alta frecuencia, alta potencia y emisión de luz de alta velocidad en el campo de la optoelectrónica, la microelectrónica y la radiofrecuencia. que se puede aplicar a comunicaciones por satélite, comunicaciones móviles, comunicaciones ópticas, navegación GPS, etc. Debido a la escasez, el alto precio, la toxicidad y la contaminación ambiental de los materiales GaAs e InP, la aplicación de materiales semiconductores de segunda generación tiene ciertas limitaciones.

La tercera generación: en la década de 1980, los semiconductores de banda prohibida ancha (Eg > 2,3eV) representados por carburo de silicio (SiC), nitruro de galio (GaN) y diamante (C) se desarrollaron rápidamente, con ventajas como un alto campo eléctrico de ruptura, alta Conductividad térmica, alta tasa de saturación de electrones y fuerte capacidad antirradiación, cumpliendo con escenarios de alto voltaje y alta frecuencia. Utilizado en dispositivos de potencia de alto voltaje, dispositivos RF 5G y otros campos.

En comparación con los materiales de Si, las principales ventajas del SiC son:

• El SiC tiene 3 veces el ancho de banda prohibida del Si, lo que puede reducir las fugas y aumentar la temperatura de tolerancia.
• El SiC tiene 10 veces la intensidad del campo de ruptura del Si, puede mejorar la densidad de corriente, la frecuencia de operación, la capacidad de voltaje y reducir la pérdida de encendido y apagado, lo que es más adecuado para aplicaciones de alto voltaje.
• El SiC tiene 2 veces la velocidad de deriva de saturación de electrones del Si, por lo que puede funcionar a una frecuencia más alta.
• El SiC tiene 3 veces la conductividad térmica del Si, un mejor rendimiento de disipación de calor, puede soportar una alta densidad de potencia y reducir los requisitos de disipación de calor, lo que hace que el dispositivo sea más liviano. Por lo tanto, el material SiC tiene ventajas obvias de rendimiento del material, puede cumplir con los requisitos de la electrónica moderna para alta temperatura, alta potencia, alta presión, alta frecuencia, resistencia a la radiación y otras condiciones duras, adecuado para dispositivos de radiofrecuencia 5G y dispositivos de potencia de alto voltaje, completo Nuevo campo de energía (fotovoltaica, almacenamiento de energía, pila de carga, vehículo eléctrico, etc.) para requisitos livianos, alta eficiencia energética, alta fuerza motriz y otros.

2, ¿por qué utilizamos SiC como dispositivo? Los dispositivos de SiC incluyen diodos, transistores y módulos de potencia.

En 2001, Infineon fue el primero en lanzar productos SiC JBS. En 2008, Semisouth lanzó el primer dispositivo SiC JFET de tipo permanentemente cerrado. En 2010, ROHM produjo por primera vez en masa productos MOSFET de SiC; En 2011, Cree comenzó a vender MOSFET de SiC y, en 2015, ROHM continuó optimizando el lanzamiento de MOSFET de puerta ranurada. En la actualidad, el diodo SiC SBD y el transistor MOSFET son los más utilizados, con mayor madurez de industrialización, SiC IGBT y GTO y otros dispositivos debido a una mayor dificultad técnica, todavía se encuentran en la etapa de investigación y desarrollo, y existe una gran brecha con respecto a industrialización.

Dispositivo de SiC debido a sus características materiales para realizar un rendimiento eléctrico superior:

• Encendido-apagado, la pérdida de conmutación/recuperación es menor: la banda prohibida ancha hace que la corriente de fuga del dispositivo de SiC sea menor y, en las mismas condiciones de voltaje, la resistencia de encendido del dispositivo de SiC es aproximadamente 1/200 de la de los dispositivos basados ​​en silicio, por lo que la pérdida de encendido es bajo; Los FRDS de Si y los MOSFET de Si producen grandes corrientes transitorias cuando cambian de polarización directa a polarización inversa, y grandes pérdidas cuando pasan a polarización inversa. Si bien los SBD de SiC y los MOSFET de SiC son la mayoría de los dispositivos portadores, la recuperación inversa solo fluirá a través del grado de descarga de corriente pequeña a través del capacitor de unión. Además, la corriente transitoria casi no se ve afectada por la temperatura y la corriente directa, y se puede lograr una recuperación inversa estable y rápida (menos de 20 ns) en cualquier condición ambiental. Según ROHM, el módulo SiC MOSFET+SBD puede reducir la pérdida en turno (Eon) en un 34%, por lo que la pérdida de recuperación es baja; Los dispositivos de SiC no tienen seguimiento de corriente durante el proceso de apagado y, según ROHM, el módulo SiC MOSFET+SBD puede reducir la pérdida de apagado (Eoff) en un 88%, por lo que la pérdida de conmutación es menor.
• El dispositivo se puede miniaturizar: el ancho de banda prohibida de SiC determina que puede producir un dispositivo de potencia de alto voltaje por encima de 600 V con una mayor concentración de dopaje y una capa de deriva de espesor de película más delgada (para productos con la misma resistencia de voltaje y la misma resistencia, el tamaño del chip es menor); La tasa de deriva de electrones saturados de SiC es alta, por lo que el dispositivo de SiC puede lograr una mayor frecuencia de operación y una mayor densidad de potencia, porque el aumento de frecuencia reduce el volumen de componentes periféricos como inductores y transformadores, reduciendo así el volumen y otros costos de componentes después de componer el sistema. El SiC tiene una banda prohibida amplia y una conductividad térmica significativa, que no solo funciona de manera estable en condiciones de alta temperatura, sino que también facilita que el dispositivo disipe el calor, por lo que tiene menores requisitos para el sistema de disipación de calor.
• Estabilidad térmica de los dispositivos de SiC: el voltaje de apertura de SiC SBD y Si FRD es inferior a 1 V, pero la dependencia de la temperatura de SiC SBD es diferente de la de Si FRD: cuanto mayor sea la temperatura, la impedancia de conducción aumentará, el valor VF aumentará se hacen más grandes y no se producirá el descontrol térmico, mejorando la seguridad y confiabilidad del sistema. Bajo la misma condición de temperatura, IF = 10A, comparación de voltaje de conducción positiva de diodo de silicio y SiC, la caída de voltaje de conducción del diodo Schottky de SiC es de 1,5 V, la caída de voltaje de conducción del diodo de recuperación rápida de silicio es de 1,7 V, el rendimiento del material de SiC es mejor que el material de silicio. Además, la resistencia de la capa de deriva del MOSFET de Si será 2 veces mayor que la original cuando la temperatura aumente 100 ° C, pero la resistencia de la capa de deriva del MOSFET de SiC es pequeña, otras resistencias, como la resistencia del canal, disminuirán ligeramente a altas temperaturas y la La resistencia del sustrato n+ casi no depende de la temperatura, por lo que la resistencia no es fácil de aumentar en condiciones de alta temperatura.

El carburo de silicio tiene sus ventajas en áreas de rendimiento y aplicación, tales como:

1). Alto punto de fusión y conductividad térmica: el carburo de silicio tiene un punto de fusión y una conductividad térmica muy altos, lo que lo hace funcionar bien en ambientes de alta temperatura. Por el contrario, los materiales semiconductores de silicio tradicionales tienden a perder rendimiento a altas temperaturas. Otros materiales semiconductores de tercera generación, como el nitruro de galio (GaN) y el óxido de zinc (ZnO), también funcionan bien en algunas aplicaciones específicas, pero la estabilidad y el rendimiento del carburo de silicio a altas temperaturas siguen siendo su ventaja única.

2). Banda prohibida ancha: el carburo de silicio tiene una banda prohibida grande, lo que da como resultado que su estructura de nivel de energía electrónica tenga características únicas. Esto permite que el carburo de silicio alcance mayores velocidades de deriva de saturación de electrones en dispositivos electrónicos de alta potencia y alta frecuencia, reduciendo así las pérdidas de energía. Por el contrario, el nitruro de galio y el óxido de zinc tienen bandas prohibidas más pequeñas y son menos adecuados para aplicaciones de alta potencia.

3). Alta velocidad de saturación del campo eléctrico: los electrones del carburo de silicio aún pueden mantener una alta velocidad bajo un campo eléctrico elevado y no se ven limitados fácilmente por el campo eléctrico. Esto proporciona al carburo de silicio un rendimiento excelente en aplicaciones de alta frecuencia, como amplificadores de potencia de RF y dispositivos de microondas. Por el contrario, mientras que el nitruro de galio también tiene ventajas en el campo de las altas frecuencias, el carburo de silicio sigue teniendo una mayor movilidad electrónica.

4). Alta intensidad del campo eléctrico de ruptura: La intensidad del campo eléctrico de ruptura del carburo de silicio es muy alta, lo que significa que puede funcionar bajo un campo eléctrico elevado sin perder rendimiento. Esto es importante para aplicaciones de alto voltaje, electrónica de potencia y sistemas de transmisión de energía. Por el contrario, otros materiales semiconductores de tercera generación tienen una intensidad de campo eléctrico de ruptura más baja.

5). Rendimiento de radiofrecuencia: el carburo de silicio funciona bien en el campo de la radiofrecuencia, con bajas pérdidas y alta capacidad de carga de potencia. Esto lo hace ampliamente utilizado en comunicaciones inalámbricas, sistemas de radar y equipos electrónicos de alta frecuencia. Por el contrario, otros materiales semiconductores de tercera generación pueden tener propiedades de RF deficientes.

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