Semikonduktor generasi ketiga SiC

SiC ialah bahan semikonduktor jurang jalur lebar generasi ketiga, yang mempunyai lebih banyak kelebihan berbanding Si dalam ciri fizikal seperti lebar jurang jalur, kekuatan medan pecahan, kelajuan hanyut tepu elektron, dll. Peranti SiC yang disediakan seperti diod, transistor dan modul kuasa mempunyai ciri elektrik yang lebih baik, yang boleh mengatasi kecacatan asas silikon yang tidak dapat memenuhi keperluan aplikasi kuasa tinggi, voltan tinggi, frekuensi tinggi, suhu tinggi dan sebagainya. Ia juga merupakan salah satu laluan terobosan yang boleh melepasi Undang-undang Moore, jadi ia digunakan secara meluas dalam bidang tenaga baharu (fotovoltaik, simpanan tenaga, cerucuk pengecasan, kenderaan elektrik, dll.).

1, Apakah SiC?

Bahan semikonduktor biasanya dibahagikan kepada tiga generasi mengikut susunan kronologi penyelidikan dan aplikasi berskala besar.

Generasi pertama: Pada tahun 1940-an, silikon (Si) dan germanium (Ge) mula digunakan. Silikon, dengan rizab semula jadi yang besar dan proses penyediaan yang mudah, adalah bahan semikonduktor dengan pengeluaran terbesar dan paling banyak digunakan pada masa ini. Ia digunakan dalam litar bersepadu, melibatkan semua aspek pengeluaran dan kehidupan manusia seperti industri, perdagangan, pengangkutan, rawatan perubatan dan ketenteraan. Walau bagaimanapun, terdapat kesesakan yang besar dalam penggunaan peranti frekuensi tinggi dan kuasa tinggi dan peranti optoelektronik.

Generasi kedua: Pada tahun 1960-an, gallium arsenide (GaAs) dan indium phosphide (InP) telah digunakan untuk menghasilkan peranti elektronik frekuensi tinggi berkelajuan tinggi, berkuasa tinggi dan pemancar cahaya dalam bidang optoelektronik, mikroelektronik dan frekuensi radio, yang boleh digunakan untuk komunikasi satelit, komunikasi mudah alih, komunikasi optik, navigasi GPS dan sebagainya. Disebabkan kekurangan, harga tinggi, ketoksikan dan pencemaran alam sekitar bahan GaAs dan InP, penggunaan bahan semikonduktor generasi kedua mempunyai had tertentu.

Generasi ketiga: Pada tahun 1980-an, semikonduktor jurang jalur lebar (Cth > 2.3eV) yang diwakili oleh silikon karbida (SiC), galium nitrida (GaN), dan berlian (C) berkembang pesat, dengan kelebihan seperti medan elektrik pecahan tinggi, tinggi kekonduksian terma, kadar ketepuan elektron yang tinggi, dan keupayaan anti-radiasi yang kuat, memenuhi senario voltan tinggi dan frekuensi tinggi. Digunakan dalam peranti kuasa voltan tinggi, peranti RF 5G dan medan lain.

Berbanding dengan bahan Si, kelebihan utama SiC ialah:

• SiC mempunyai 3 kali lebar jurang jalur Si, yang boleh mengurangkan kebocoran dan meningkatkan suhu toleransi.
• SiC mempunyai 10 kali kekuatan medan pecahan Si, boleh meningkatkan ketumpatan arus, kekerapan operasi, kapasiti voltan dan mengurangkan kehilangan on-off, lebih sesuai untuk aplikasi voltan tinggi.
• SiC mempunyai 2 kali kelajuan hanyutan tepu elektron Si, jadi ia boleh bekerja pada frekuensi yang lebih tinggi.
• SiC mempunyai 3 kali ganda kekonduksian terma Si, prestasi pelesapan haba yang lebih baik, boleh menyokong ketumpatan kuasa tinggi dan mengurangkan keperluan pelesapan haba, menjadikan peranti lebih ringan. Oleh itu, bahan SiC mempunyai kelebihan prestasi bahan yang jelas, boleh memenuhi keperluan elektronik moden untuk suhu tinggi, kuasa tinggi, tekanan tinggi, frekuensi tinggi, rintangan sinaran dan keadaan lain yang keras, sesuai untuk peranti frekuensi radio 5G dan peranti kuasa voltan tinggi, penuh medan tenaga baharu (fotovoltaik, storan tenaga, longgokan pengecasan, kenderaan elektrik, dll.) untuk ringan, kecekapan tenaga tinggi, daya penggerak yang tinggi dan keperluan lain.

2, Mengapa kita menggunakan SiC sebagai peranti? Peranti SiC termasuk diod, transistor dan modul kuasa.

Pada tahun 2001 Infineon adalah yang pertama mengeluarkan produk SiC JBS. Pada tahun 2008, Semisouth mengeluarkan peranti SiC JFET jenis tertutup kekal yang pertama. Pada tahun 2010, ROHM pertama kali mengeluarkan produk SiC MOSFET secara besar-besaran; Pada tahun 2011, Cree mula menjual MOSFET SiC, dan pada tahun 2015 ROHM terus mengoptimumkan pelancaran MOSFET gerbang beralur. Pada masa ini, diod SiC SBD dan transistor MOSFET adalah yang paling banyak digunakan pada masa ini, kematangan perindustrian tertinggi, SiC IGBT dan GTO dan peranti lain disebabkan oleh kesukaran teknikal yang lebih besar, masih dalam peringkat penyelidikan dan pembangunan, dan terdapat jurang yang besar dari perindustrian.

Peranti SiC kerana ciri bahannya untuk melaksanakan prestasi elektrik yang unggul:

• Hidupkan mati, kehilangan pensuisan/pemulihan adalah lebih rendah: jurang jalur lebar menjadikan arus kebocoran peranti SiC kurang, dan di bawah keadaan voltan yang sama, rintangan pada peranti SiC ialah kira-kira 1/200 peranti berasaskan silikon, jadi kehilangan semasa adalah lebih rendah; Si FRDS dan Si MOSFET menghasilkan arus sementara yang besar apabila ia beralih daripada pincang ke hadapan kepada pincang songsang, dan kerugian besar apabila beralih kepada pincang songsang. Walaupun SiC SBD dan SiC MOSFET adalah kebanyakan peranti pembawa, pemulihan terbalik hanya akan mengalir melalui tahap nyahcas kapasitor simpang arus kecil. Selain itu, arus sementara hampir tidak terjejas oleh suhu dan arus hadapan, dan pemulihan terbalik yang stabil dan pantas (kurang daripada 20ns) boleh dicapai dalam sebarang keadaan persekitaran. Menurut ROHM, modul SiC MOSFET+SBD boleh mengurangkan kerugian on-turn (Eon) sebanyak 34%, jadi kerugian pemulihan adalah rendah; Peranti SiC tidak mempunyai pengekoran semasa semasa proses penutupan, dan menurut ROHM, modul SiC MOSFET+SBD boleh mengurangkan kehilangan penutupan (Eoff) sebanyak 88%, jadi kehilangan pensuisan adalah lebih rendah.
• Peranti boleh dikecilkan: lebar celah jalur SiC menentukan bahawa ia boleh menghasilkan peranti kuasa voltan tinggi melebihi 600V dengan kepekatan doping yang lebih tinggi dan lapisan hanyut ketebalan filem yang lebih nipis (untuk produk dengan rintangan voltan yang sama dan rintangan-on yang sama, saiz cip lebih kecil); Kadar hanyutan elektron tepu SiC adalah tinggi, jadi peranti SiC boleh mencapai frekuensi operasi yang lebih tinggi dan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, kerana peningkatan frekuensi mengurangkan isipadu komponen persisian seperti induktor dan transformer, sekali gus mengurangkan volum dan kos komponen lain selepas mengarang sistem. SiC mempunyai jurang jalur yang luas dan kekonduksian terma yang ketara, yang bukan sahaja berfungsi secara stabil di bawah keadaan suhu tinggi, tetapi juga memudahkan peranti untuk menghilangkan haba, jadi ia mempunyai keperluan yang lebih rendah untuk sistem pelesapan haba.
• Kestabilan terma peranti SiC: voltan pembukaan SiC SBD dan Si FRD adalah kurang daripada 1V, tetapi pergantungan suhu SiC SBD berbeza daripada Si FRD: semakin tinggi suhu, impedans pengaliran akan meningkat, nilai VF akan menjadi lebih besar, dan haba yang tidak terkawal tidak akan berlaku, meningkatkan keselamatan dan kebolehpercayaan sistem. Di bawah keadaan suhu yang sama, JIKA = 10A, SiC dan perbandingan voltan pengaliran positif diod silikon, penurunan voltan pengaliran diod SiC Schottky ialah 1.5V, penurunan voltan pengaliran diod pemulihan cepat silikon ialah 1.7V, prestasi bahan SiC lebih baik daripada bahan silikon. Di samping itu, rintangan lapisan drift Si MOSFET akan menjadi 2 kali ganda daripada asal apabila suhu meningkat 100 ° C, tetapi rintangan lapisan drift SiC MOSFET adalah kecil, perintang lain seperti rintangan saluran akan berkurangan sedikit pada suhu tinggi, dan rintangan substrat n+ hampir tidak mempunyai pergantungan suhu, jadi rintangan pada tidak mudah meningkat di bawah keadaan suhu tinggi.

Silikon karbida mempunyai kelebihan dalam bidang prestasi dan aplikasi, seperti:

1). Takat lebur dan kekonduksian terma yang tinggi: Silikon karbida mempunyai takat lebur dan kekonduksian terma yang sangat tinggi, yang menjadikannya berfungsi dengan baik dalam persekitaran suhu tinggi. Sebaliknya, bahan semikonduktor silikon tradisional cenderung kehilangan prestasi pada suhu tinggi. Bahan semikonduktor generasi ketiga yang lain, seperti galium nitrida (GaN) dan zink oksida (ZnO), juga berfungsi dengan baik dalam beberapa aplikasi tertentu, tetapi kestabilan dan prestasi silikon karbida pada suhu tinggi kekal sebagai kelebihan uniknya.

2). Jurang jalur lebar: silikon karbida mempunyai jurang jalur yang besar, menyebabkan struktur tahap tenaga elektroniknya mempunyai ciri unik. Ini membolehkan silikon karbida mencapai kelajuan hanyutan tepu elektron yang lebih tinggi dalam peranti elektronik berkuasa tinggi dan frekuensi tinggi, sekali gus mengurangkan kehilangan kuasa. Sebaliknya, galium nitrida dan zink oksida mempunyai jurang jalur yang lebih kecil dan kurang sesuai untuk aplikasi kuasa tinggi.

3). Kelajuan tepu medan elektrik yang tinggi: elektron silikon karbida masih boleh mengekalkan kelajuan tinggi di bawah medan elektrik yang tinggi, dan tidak mudah dihadkan oleh medan elektrik. Ini memberikan prestasi cemerlang silikon karbida dalam aplikasi frekuensi tinggi, seperti penguat kuasa RF dan peranti gelombang mikro. Sebaliknya, sementara galium nitrida juga mempunyai kelebihan dalam medan frekuensi tinggi, silikon karbida masih mempunyai mobiliti elektronik yang lebih tinggi.

4). Kekuatan medan elektrik pecahan tinggi: Kekuatan medan elektrik pecahan silikon karbida adalah sangat tinggi, yang bermaksud ia boleh berfungsi di bawah medan elektrik yang tinggi tanpa kehilangan prestasi. Ini penting untuk aplikasi voltan tinggi, elektronik kuasa dan sistem penghantaran kuasa. Sebaliknya, bahan semikonduktor generasi ketiga yang lain mempunyai kekuatan medan elektrik pecahan yang lebih rendah.

5). Prestasi frekuensi radio: Silikon karbida berprestasi baik dalam bidang frekuensi radio, dengan kehilangan rendah dan kapasiti membawa kuasa tinggi. Ini menjadikannya digunakan secara meluas dalam komunikasi tanpa wayar, sistem radar dan peralatan elektronik frekuensi tinggi. Sebaliknya, bahan semikonduktor generasi ketiga yang lain mungkin mempunyai sifat RF yang lemah.

Maklumat Syarikat Nama Syarikat FOUNTYL TECHNOLOGIES PTE. LTD. ialah sebuah perusahaan moden dalam bidang set seramik maju R&D, pembuatan dan jualan sebagai satu, terutamanya menghasilkan seramik berliang, alumina, zirkonia, silikon nitrida, silikon karbida, aluminium nitrida, seramik dielektrik gelombang mikro dan bahan seramik termaju yang lain. pakar teknologi Jepun yang dijemput khas kami mempunyai lebih daripada 30 tahun pengalaman industri dalam bidang semikonduktor, dengan cekap menyediakan penyelesaian aplikasi seramik khas dengan rintangan haus, rintangan kakisan, rintangan suhu tinggi, kekonduksian haba yang tinggi, penebat untuk pelanggan domestik dan asing.