SiC semiconduttore di terza generazione

Il SiC è il materiale semiconduttore con ampio gap di banda di terza generazione, che presenta più vantaggi del Si in termini di caratteristiche fisiche come larghezza di gap di banda, intensità del campo di rottura, velocità di deriva della saturazione degli elettroni, ecc. I dispositivi SiC preparati come diodi, transistor e moduli di potenza hanno migliori caratteristiche elettriche, che possono superare i difetti della base di silicio che non può soddisfare i requisiti applicativi di alta potenza, alta tensione, alta frequenza, alta temperatura e così via. È anche uno dei percorsi innovativi in ​​grado di superare la Legge di Moore, quindi è ampiamente utilizzato nel campo delle nuove energie (fotovoltaico, stoccaggio dell'energia, pile di ricarica, veicoli elettrici, ecc.).

1, cos'è il SiC?

I materiali semiconduttori sono solitamente divisi in tre generazioni secondo l'ordine cronologico della ricerca e dell'applicazione su larga scala.

La prima generazione: negli anni '40 iniziarono ad essere utilizzati il ​​silicio (Si) e il germanio (Ge). Il silicio, con le sue grandi riserve naturali e il semplice processo di preparazione, è il materiale semiconduttore con la maggiore produzione e il più utilizzato attualmente. Viene utilizzato nei circuiti integrati, che coinvolgono tutti gli aspetti della produzione e della vita umana come l'industria, il commercio, i trasporti, le cure mediche e le forze armate. Tuttavia, esiste un grosso collo di bottiglia nell'applicazione di dispositivi ad alta frequenza e alta potenza e di dispositivi optoelettronici.

La seconda generazione: negli anni '60, l'arseniuro di gallio (GaAs) e il fosfuro di indio (InP) furono utilizzati per produrre dispositivi elettronici ad alta frequenza, alta potenza e ad emissione di luce ad alta velocità nel campo dell'optoelettronica, della microelettronica e della radiofrequenza, che può essere applicato alle comunicazioni satellitari, alle comunicazioni mobili, alle comunicazioni ottiche, alla navigazione GPS e così via. A causa della scarsità, del prezzo elevato, della tossicità e dell’inquinamento ambientale dei materiali GaAs e InP, l’applicazione di materiali semiconduttori di seconda generazione presenta alcune limitazioni.

La terza generazione: negli anni '80, i semiconduttori ad ampio gap di banda (Eg > 2,3 eV) rappresentati da carburo di silicio (SiC), nitruro di gallio (GaN) e diamante (C) si svilupparono rapidamente, con vantaggi come campo elettrico ad alta rottura, elevata conduttività termica, elevato tasso di saturazione degli elettroni e forte capacità anti-radiazioni, in grado di soddisfare scenari ad alta tensione e alta frequenza. Utilizzato in dispositivi di alimentazione ad alta tensione, dispositivi RF 5G e altri campi.

Rispetto ai materiali Si, i principali vantaggi del SiC sono:

• Il SiC ha una larghezza di banda 3 volte superiore a quella del Si, il che può ridurre le perdite e aumentare la temperatura di tolleranza.
• Il SiC ha 10 volte l'intensità del campo di rottura del Si, può migliorare la densità di corrente, la frequenza operativa, la capacità di tensione e ridurre la perdita on-off, più adatto per applicazioni ad alta tensione.
• Il SiC ha 2 volte la velocità di deriva della saturazione degli elettroni del Si, quindi può funzionare a una frequenza più elevata.
• Il SiC ha 3 volte la conduttività termica del Si, migliori prestazioni di dissipazione del calore, può supportare un'elevata densità di potenza e ridurre i requisiti di dissipazione del calore, rendendo il dispositivo più leggero. Pertanto, il materiale SiC presenta evidenti vantaggi in termini di prestazioni del materiale, può soddisfare i requisiti dell'elettronica moderna per alta temperatura, alta potenza, alta pressione, alta frequenza, resistenza alle radiazioni e altre condizioni difficili, adatto per dispositivi a radiofrequenza 5G e dispositivi di alimentazione ad alta tensione, completo nuovo campo energetico (fotovoltaico, accumulo di energia, pila di ricarica, veicolo elettrico, ecc.) per leggerezza, alta efficienza energetica, elevata forza motrice e altri requisiti.

2, Perché utilizziamo il SiC come dispositivo? I dispositivi SiC includono diodi, transistor e moduli di potenza.

Nel 2001 Infineon è stata la prima a rilasciare prodotti SiC JBS. Nel 2008, Semisouth ha rilasciato il primo dispositivo SiC JFET di tipo permanentemente chiuso. Nel 2010, ROHM ha prodotto i primi MOSFET SiC in serie; Nel 2011, Cree ha iniziato a vendere MOSFET SiC e nel 2015 ROHM ha continuato a ottimizzare il lancio dei MOSFET a gate scanalato. Allo stato attuale, il diodo SBD SiC e il transistor MOSFET sono attualmente i più utilizzati, la maturità di industrializzazione più elevata, IGBT e GTO SiC e altri dispositivi a causa di maggiori difficoltà tecniche, sono ancora in fase di ricerca e sviluppo e c'è un grande divario da industrializzazione.

Dispositivo SiC grazie alle sue caratteristiche del materiale per offrire prestazioni elettriche superiori:

• On-off, la perdita di commutazione/recupero è inferiore: l'ampio gap di banda fa sì che la corrente di dispersione del dispositivo SiC sia inferiore e, nelle stesse condizioni di tensione, la resistenza di accensione del dispositivo SiC è circa 1/200 di quella dei dispositivi a base di silicio, quindi la perdita di accensione è più basso; I FRDS Si e i MOSFET Si producono grandi correnti transitorie quando passano dalla polarizzazione diretta alla polarizzazione inversa e grandi perdite quando passano alla polarizzazione inversa. Sebbene gli SBD SiC e i MOSFET SiC costituiscano la maggior parte dei dispositivi portanti, il recupero inverso fluirà solo attraverso il grado di scarica del condensatore di giunzione di piccola corrente. Inoltre, la corrente transitoria non è quasi influenzata dalla temperatura e dalla corrente diretta, ed è possibile ottenere un recupero inverso stabile e veloce (meno di 20 ns) in qualsiasi condizione ambientale. Secondo ROHM, il modulo SiC MOSFET+SBD può ridurre la perdita su turno (Eon) del 34%, quindi la perdita di recupero è bassa; I dispositivi SiC non presentano un trascinamento di corrente durante il processo di spegnimento e, secondo ROHM, il modulo SiC MOSFET+SBD può ridurre la perdita di spegnimento (Eoff) dell'88%, quindi la perdita di commutazione è inferiore.
• Il dispositivo può essere miniaturizzato: l'ampiezza della banda proibita del SiC determina che può produrre un dispositivo di potenza ad alta tensione superiore a 600 V con una concentrazione di drogaggio più elevata e uno strato di deriva con spessore del film più sottile (per prodotti con la stessa resistenza di tensione e la stessa resistenza in conduzione, la dimensione del chip è più piccola); Il tasso di deriva degli elettroni saturi di SiC è elevato, quindi il dispositivo SiC può raggiungere una frequenza operativa più elevata e una densità di potenza più elevata, poiché l'aumento di frequenza riduce il volume dei componenti periferici come induttori e trasformatori, riducendo così il volume e i costi di altri componenti dopo aver composto il sistema. Il SiC ha un ampio intervallo di banda e una significativa conduttività termica, che non solo funziona stabilmente in condizioni di alta temperatura, ma facilita anche la dissipazione del calore da parte del dispositivo, quindi ha requisiti inferiori per il sistema di dissipazione del calore.
• Stabilità termica dei dispositivi SiC: la tensione di apertura di SiC SBD e Si FRD è inferiore a 1 V, ma la dipendenza dalla temperatura di SiC SBD è diversa da quella di Si FRD: maggiore è la temperatura, aumenterà l'impedenza di conduzione, il valore VF aumenterà diventeranno più grandi e non si verificherà uno sbalzo termico, migliorando la sicurezza e l'affidabilità del sistema. Alla stessa condizione di temperatura, IF = 10 A, confronto della tensione di conduzione positiva del diodo SiC e del diodo al silicio, la caduta di tensione di conduzione del diodo Schottky SiC è di 1,5 V, la caduta di tensione di conduzione del diodo a recupero rapido del silicio è di 1,7 V, le prestazioni del materiale SiC sono migliori del materiale in silicio. Inoltre, la resistenza dello strato di deriva del MOSFET Si diventerà 2 volte quella originale quando la temperatura aumenta di 100 ° C, ma la resistenza dello strato di deriva del MOSFET SiC è piccola, altri resistori come la resistenza del canale diminuiranno leggermente ad alta temperatura e la resistenza la resistenza del substrato n+ non ha quasi alcuna dipendenza dalla temperatura, quindi la resistenza on non è facile da aumentare in condizioni di alta temperatura.

Il carburo di silicio presenta i suoi vantaggi in termini di prestazioni e aree di applicazione, come ad esempio:

1). Elevato punto di fusione e conduttività termica: il carburo di silicio ha un punto di fusione e una conduttività termica molto elevati, che lo rendono adatto a funzionare bene in ambienti ad alta temperatura. Al contrario, i tradizionali materiali semiconduttori in silicio tendono a perdere prestazioni alle alte temperature. Anche altri materiali semiconduttori di terza generazione, come il nitruro di gallio (GaN) e l'ossido di zinco (ZnO), funzionano bene in alcune applicazioni specifiche, ma la stabilità e le prestazioni del carburo di silicio alle alte temperature rimangono il suo vantaggio unico.

2). Ampio gap di banda: il carburo di silicio ha un ampio gap di banda, il che fa sì che la sua struttura del livello di energia elettronica abbia caratteristiche uniche. Ciò consente al carburo di silicio di raggiungere velocità di deriva della saturazione degli elettroni più elevate nei dispositivi elettronici ad alta potenza e alta frequenza, riducendo così le perdite di potenza. Al contrario, il nitruro di gallio e l'ossido di zinco hanno bande proibite più piccole e sono meno adatti per applicazioni ad alta potenza.

3). Elevata velocità di saturazione del campo elettrico: gli elettroni del carburo di silicio possono ancora mantenere un'elevata velocità sotto un campo elettrico elevato e non sono facilmente limitati dal campo elettrico. Ciò conferisce al carburo di silicio prestazioni eccellenti nelle applicazioni ad alta frequenza, come amplificatori di potenza RF e dispositivi a microonde. Al contrario, mentre il nitruro di gallio presenta vantaggi anche nel campo delle alte frequenze, il carburo di silicio ha ancora una mobilità elettronica maggiore.

4). Elevata intensità del campo elettrico di rottura: l'intensità del campo elettrico di rottura del carburo di silicio è molto elevata, il che significa che può funzionare in condizioni di campo elettrico elevato senza perdere prestazioni. Ciò è importante per le applicazioni ad alta tensione, l'elettronica di potenza e i sistemi di trasmissione di potenza. Al contrario, altri materiali semiconduttori di terza generazione hanno un’intensità del campo elettrico di rottura inferiore.

5). Prestazioni in radiofrequenza: il carburo di silicio funziona bene nel campo della radiofrequenza, con basse perdite ed elevata capacità di trasporto di potenza. Ciò lo rende ampiamente utilizzato nelle comunicazioni wireless, nei sistemi radar e nelle apparecchiature elettroniche ad alta frequenza. Al contrario, altri materiali semiconduttori di terza generazione potrebbero avere proprietà RF scadenti.

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