तीसरी पीढ़ी का सेमीकंडक्टर SiC

SIC तीसरी पीढ़ी की चौड़ी बैंड गैप सेमीकंडक्टर सामग्री है, जिसका भौतिक विशेषताओं में SI की तुलना में अधिक फायदे हैं जैसे बैंड गैप की चौड़ाई, ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ, इलेक्ट्रॉन संतृप्ति बहाव गति, आदि। तैयार SIC उपकरण जैसे कि डायोड, ट्रांजिस्टर और पावर मॉड्यूल हैं बेहतर विद्युत विशेषताएं, जो सिलिकॉन बेस के दोषों को दूर कर सकती हैं जो उच्च शक्ति, उच्च वोल्टेज, उच्च आवृत्ति, उच्च तापमान और इतने पर की आवेदन आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती हैं। यह सफलता के रास्तों में से एक है जो मूर के नियम को पार कर सकता है, इसलिए इसका उपयोग व्यापक रूप से नई ऊर्जा (फोटोवोल्टिक, ऊर्जा भंडारण, चार्जिंग पाइल्स, इलेक्ट्रिक वाहन, आदि) के क्षेत्र में किया जाता है।

1, SIC क्या है?

सेमीकंडक्टर सामग्री को आमतौर पर अनुसंधान और बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग के कालानुक्रमिक क्रम के अनुसार तीन पीढ़ियों में विभाजित किया जाता है।

पहली पीढ़ी: 1940 के दशक में, सिलिकॉन (एसआई) और जर्मेनियम (जीई) लागू होने लगे। सिलिकॉन, अपने बड़े प्राकृतिक भंडार और सरल तैयारी प्रक्रिया के साथ, अर्धचालक सामग्री है जिसमें सबसे बड़ा उत्पादन होता है और वर्तमान में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इसका उपयोग एकीकृत सर्किट में किया जाता है, जिसमें मानव उत्पादन और जीवन के सभी पहलुओं जैसे उद्योग, वाणिज्य, परिवहन, चिकित्सा उपचार और सैन्य शामिल होते हैं। हालांकि, उच्च आवृत्ति और उच्च शक्ति उपकरणों और ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक उपकरणों के आवेदन में एक बड़ी अड़चन है।

दूसरी पीढ़ी: 1960 के दशक में, गैलियम आर्सेनाइड (GAAS) और इंडियम फॉस्फाइड (INP) का उपयोग ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स और रेडियो आवृत्ति के क्षेत्र में उच्च-गति उच्च आवृत्ति, उच्च-शक्ति और प्रकाश उत्सर्जक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का उत्पादन करने के लिए किया गया था, जिसे उपग्रह संचार, मोबाइल संचार, ऑप्टिकल संचार, जीपीएस नेविगेशन और इतने पर लागू किया जा सकता है। GAAS और INP सामग्री की कमी, उच्च कीमत, विषाक्तता और पर्यावरण प्रदूषण के कारण, दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्री के अनुप्रयोग की कुछ सीमाएँ हैं।

तीसरी पीढ़ी: 1980 के दशक में, वाइड बैंड गैप (जैसे> 2.3EV) सेमीकंडक्टर्स सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी), गैलियम नाइट्राइड (जीएएन), और डायमंड (सी) द्वारा प्रतिनिधित्व किए गए सेमीकंडक्टर्स तेजी से विकसित हुए, जैसे कि उच्च ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड, हाई जैसे फायदे, थर्मल चालकता, उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति दर, और मजबूत विरोधी विकिरण क्षमता, उच्च वोल्टेज और उच्च आवृत्ति परिदृश्यों को पूरा करना। उच्च वोल्टेज बिजली उपकरणों, 5 जी आरएफ उपकरणों और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है।

एसआई सामग्री की तुलना में, एसआईसी के मुख्य लाभ हैं:

• SIC में SI की बैंड गैप की चौड़ाई 3 गुना है, जो रिसाव को कम कर सकता है और सहिष्णुता के तापमान को बढ़ा सकता है।
• SIC में SI की ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथ का 10 गुना है, वर्तमान घनत्व, ऑपरेटिंग आवृत्ति, वोल्टेज क्षमता में सुधार कर सकता है और उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त, ऑन-ऑफ नुकसान को कम कर सकता है।
• SIC के पास SI की इलेक्ट्रॉन संतृप्ति बहाव की गति 2 गुना है, इसलिए यह एक उच्च आवृत्ति पर काम कर सकता है।
• SIC में SI की थर्मल चालकता 3 गुना है, बेहतर गर्मी अपव्यय प्रदर्शन, उच्च शक्ति घनत्व का समर्थन कर सकता है और गर्मी अपव्यय आवश्यकताओं को कम कर सकता है, जिससे डिवाइस को हल्का हो सकता है। इसलिए, एसआईसी सामग्री में स्पष्ट सामग्री प्रदर्शन लाभ हैं, उच्च तापमान, उच्च शक्ति, उच्च दबाव, उच्च आवृत्ति, विकिरण प्रतिरोध और अन्य कठोर स्थितियों के लिए आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं, 5 जी रेडियो आवृत्ति उपकरणों और उच्च वोल्टेज बिजली उपकरणों के लिए उपयुक्त, पूर्ण हल्के, उच्च ऊर्जा दक्षता, उच्च ड्राइविंग बल और अन्य आवश्यकताओं के लिए नए ऊर्जा क्षेत्र (फोटोवोल्टिक, ऊर्जा भंडारण, चार्जिंग पाइल, इलेक्ट्रिक वाहन, आदि)।

2, हम एक डिवाइस के रूप में SIC का उपयोग क्यों करते हैं? SIC उपकरणों में डायोड, ट्रांजिस्टर और पावर मॉड्यूल शामिल हैं।

2001 में Infineon SIC JBS उत्पादों को जारी करने वाला पहला था। 2008 में, सेमीसाउथ ने पहला स्थायी रूप से बंद प्रकार SIC JFET डिवाइस जारी किया। 2010 में, ROHM पहले बड़े पैमाने पर उत्पादित SIC MOSFET उत्पादों; 2011 में, क्री ने SIC MOSFETS बेचना शुरू कर दिया, और 2015 में ROHM ने ग्रूव्ड गेट MOSFETS के लॉन्च का अनुकूलन करना जारी रखा। वर्तमान में, SIC SBD डायोड और MOSFET ट्रांजिस्टर वर्तमान में सबसे अधिक व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, उच्चतम औद्योगिकीकरण परिपक्वता, SIC IGBT और GTO और अन्य उपकरणों से अधिक तकनीकी कठिनाई के कारण, अभी भी अनुसंधान और विकास चरण में हैं, और वहाँ से एक बड़ा अंतर है। औद्योगीकरण.

SIC डिवाइस अपनी भौतिक विशेषताओं के कारण बेहतर विद्युत प्रदर्शन करने के लिए:

• ऑन-ऑफ, स्विचिंग/रिकवरी लॉस कम है: वाइड बैंड गैप बनाता है एसआईसी डिवाइस लीकेज करंट कम है, और एक ही वोल्टेज स्थितियों के तहत, एसआईसी डिवाइस ऑन-रेजिस्टेंस सिलिकॉन-आधारित डिवाइस के लगभग 1/200 है, इसलिए ऑन-लॉस कम है; Si Frds और Si Mosfets बड़ी क्षणिक धाराओं का उत्पादन करते हैं जब वे आगे के पूर्वाग्रह से रिवर्स पूर्वाग्रह तक स्विच करते हैं, और रिवर्स पूर्वाग्रह के लिए संक्रमण करते समय बड़े नुकसान होते हैं। जबकि SIC SBD और SIC MOSFETS अधिकांश वाहक उपकरण हैं, रिवर्स रिकवरी केवल छोटे वर्तमान के जंक्शन कैपेसिटर डिस्चार्ज डिग्री के माध्यम से प्रवाहित होगी। इसके अलावा, क्षणिक वर्तमान तापमान और आगे की वर्तमान से लगभग अप्रभावित है, और स्थिर और तेज (20Ns से कम) रिवर्स रिकवरी किसी भी पर्यावरणीय परिस्थितियों में प्राप्त की जा सकती है। ROHM के अनुसार, SIC MOSFET+SBD मॉड्यूल ऑन-टर्न लॉस (EON) को 34%तक कम कर सकता है, इसलिए रिकवरी लॉस कम है; SIC उपकरणों में शटडाउन प्रक्रिया के दौरान वर्तमान अनुगामी नहीं है, और ROHM के अनुसार, SIC MOSFET+SBD मॉड्यूल शटडाउन लॉस (EOFF) को 88%तक कम कर सकता है, इसलिए स्विचिंग लॉस कम है।
• डिवाइस को छोटा किया जा सकता है: एसआईसी बैंडगैप की चौड़ाई यह निर्धारित करती है कि यह एक उच्च-वोल्टेज पावर डिवाइस का उत्पादन कर सकता है 600 वी से ऊपर एक उच्च डोपिंग एकाग्रता और एक पतली फिल्म मोटाई बहाव परत (एक ही वोल्टेज प्रतिरोध और समान ऑन-प्रतिरोध वाले उत्पादों के लिए, चिप का आकार छोटा है); SIC संतृप्त इलेक्ट्रॉन बहाव दर अधिक है, इसलिए SIC डिवाइस उच्च परिचालन आवृत्ति और उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त कर सकता है, क्योंकि आवृत्ति वृद्धि परिधीय घटकों की मात्रा को कम कर देती है जैसे कि इंडक्टर्स और ट्रांसफार्मर, इस प्रकार वॉल्यूम और अन्य घटक लागतों को कम करने के बाद रचना के बाद रचना प्रणाली। SIC में एक विस्तृत बैंड गैप और महत्वपूर्ण थर्मल चालकता है, जो न केवल उच्च तापमान की स्थिति में काम करता है, बल्कि डिवाइस को गर्मी को भंग करने के लिए भी आसान बनाता है, इसलिए गर्मी विघटन प्रणाली के लिए इसकी आवश्यकता कम होती है।
• एसआईसी उपकरणों की थर्मल स्थिरता: एसआईसी एसबीडी और सी एफआरडी का उद्घाटन वोल्टेज 1 वी से कम है, लेकिन एसआईसी एसबीडी का तापमान निर्भरता सी एफआरडी से अलग है: तापमान जितना अधिक होगा, चालन प्रतिबाधा बढ़ेगी, वीएफ मूल्य होगा। बड़े हो जाते हैं, और थर्मल अनियंत्रित नहीं होगा, सिस्टम की सुरक्षा और विश्वसनीयता में सुधार होगा। एक ही तापमान की स्थिति के तहत, यदि = 10 ए, एसआईसी और सिलिकॉन डायोड पॉजिटिव कंडक्शन वोल्टेज तुलना, एसआईसी शोट्की डायोड कंडक्शन वोल्टेज ड्रॉप 1.5 वी है, सिलिकॉन फास्ट रिकवरी डायोड चालन वोल्टेज वोल्टेज ड्रॉप 1.7V है, एसआईसी सामग्री का प्रदर्शन सिलिकॉन सामग्री से बेहतर है। इसके अलावा, सी मोसफेट की बहाव परत प्रतिरोध 2 गुना मूल हो जाएगा जब तापमान 100 ° C बढ़ता है, लेकिन Sic MOSFET की बहाव परत प्रतिरोध छोटा होता है, अन्य प्रतिरोध जैसे कि चैनल प्रतिरोध उच्च तापमान पर थोड़ा कम हो जाएगा, और N+ सब्सट्रेट के प्रतिरोध में लगभग कोई तापमान निर्भरता नहीं है, इसलिए उच्च तापमान की स्थिति के तहत ऑन-प्रतिरोध में वृद्धि करना आसान नहीं है।

सिलिकॉन कार्बाइड के प्रदर्शन और अनुप्रयोग क्षेत्रों में इसके फायदे हैं, जैसे:

1). उच्च पिघलने बिंदु और थर्मल चालकता: सिलिकॉन कार्बाइड में एक बहुत ही उच्च पिघलने बिंदु और थर्मल चालकता होती है, जो इसे उच्च तापमान वातावरण में अच्छा प्रदर्शन करती है। इसके विपरीत, पारंपरिक सिलिकॉन सेमीकंडक्टर सामग्री उच्च तापमान पर प्रदर्शन खो देती है। अन्य तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्री, जैसे कि गैलियम नाइट्राइड (GAN) और जिंक ऑक्साइड (ZnO), कुछ विशिष्ट अनुप्रयोगों में भी अच्छा प्रदर्शन करते हैं, लेकिन उच्च तापमान पर सिलिकॉन कार्बाइड की स्थिरता और प्रदर्शन इसका अनूठा लाभ है।

2). वाइड बैंड गैप: सिलिकॉन कार्बाइड में एक बड़ा बैंड गैप होता है, जिसके परिणामस्वरूप इसकी इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा स्तर संरचना में अद्वितीय विशेषताएं होती हैं। यह सिलिकॉन कार्बाइड को उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति बहाव गति प्राप्त करने की अनुमति देता है, जिससे बिजली के नुकसान को कम किया जाता है। इसके विपरीत, गैलियम नाइट्राइड और जिंक ऑक्साइड में छोटे बैंड अंतराल होते हैं और उच्च शक्ति अनुप्रयोगों के लिए कम उपयुक्त होते हैं।

3). उच्च विद्युत क्षेत्र संतृप्ति गति: सिलिकॉन कार्बाइड के इलेक्ट्रॉन अभी भी एक उच्च विद्युत क्षेत्र के तहत एक उच्च गति बनाए रख सकते हैं, और विद्युत क्षेत्र द्वारा आसानी से सीमित नहीं हैं। यह उच्च आवृत्ति अनुप्रयोगों में सिलिकॉन कार्बाइड उत्कृष्ट प्रदर्शन देता है, जैसे कि आरएफ पावर एम्पलीफायरों और माइक्रोवेव डिवाइस। इसके विपरीत, जबकि गैलियम नाइट्राइड में भी उच्च आवृत्ति क्षेत्र में फायदे हैं, सिलिकॉन कार्बाइड में अभी भी उच्च इलेक्ट्रॉनिक गतिशीलता है।

4). उच्च ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड स्ट्रेंथ: सिलिकॉन कार्बाइड की ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड स्ट्रेंथ बहुत अधिक है, जिसका अर्थ है कि यह प्रदर्शन खोए बिना उच्च विद्युत क्षेत्र के तहत काम कर सकता है। यह उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और पावर ट्रांसमिशन सिस्टम के लिए महत्वपूर्ण है। इसके विपरीत, अन्य तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्री में कम ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड स्ट्रेंथ होती है।

5). रेडियो फ़्रीक्वेंसी प्रदर्शन: सिलिकॉन कार्बाइड रेडियो आवृत्ति के क्षेत्र में अच्छा प्रदर्शन करता है, जिसमें कम हानि और उच्च शक्ति वहन क्षमता होती है। यह वायरलेस संचार, रडार सिस्टम और उच्च आवृत्ति इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इसके विपरीत, अन्य तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्री में खराब आरएफ गुण हो सकते हैं।

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