SiC semicondutor de terceira geração

SiC é o material semicondutor de banda larga de terceira geração, que tem mais vantagens do que o Si em características físicas, como largura de banda, intensidade do campo de ruptura, velocidade de desvio de saturação de elétrons, etc. melhores características elétricas, que podem superar os defeitos da base de silício que não atendem aos requisitos de aplicação de alta potência, alta tensão, alta frequência, alta temperatura e assim por diante. É também um dos caminhos inovadores que podem superar a Lei de Moore, por isso é amplamente utilizado no campo das novas energias (fotovoltaica, armazenamento de energia, pilhas de carregamento, veículos elétricos, etc.).

1, o que é SiC?

Os materiais semicondutores são geralmente divididos em três gerações de acordo com a ordem cronológica de pesquisa e aplicação em larga escala.

A primeira geração: Na década de 1940, o silício (Si) e o germânio (Ge) começaram a ser aplicados. O silício, com suas grandes reservas naturais e processo de preparação simples, é o material semicondutor com maior produção e o mais utilizado atualmente. É utilizado em circuitos integrados, envolvendo todos os aspectos da produção e da vida humana, como indústria, comércio, transporte, tratamento médico e militar. No entanto, existe um grande gargalo na aplicação de dispositivos de alta frequência e alta potência e dispositivos optoeletrônicos.

A segunda geração: Na década de 1960, o arsenieto de gálio (GaAs) e o fosfeto de índio (InP) foram usados ​​para produzir dispositivos eletrônicos de alta velocidade, alta frequência, alta potência e emissores de luz no campo da optoeletrônica, microeletrônica e radiofrequência, que pode ser aplicado a comunicações por satélite, comunicações móveis, comunicações ópticas, navegação GPS e assim por diante. Devido à escassez, ao alto preço, à toxicidade e à poluição ambiental dos materiais GaAs e InP, a aplicação de materiais semicondutores de segunda geração tem certas limitações.

A terceira geração: Na década de 1980, semicondutores de banda larga (por exemplo, > 2,3eV) representados por carboneto de silício (SiC), nitreto de gálio (GaN) e diamante (C) desenvolveram-se rapidamente, com vantagens como alto campo elétrico de ruptura, alto condutividade térmica, alta taxa de saturação de elétrons e forte capacidade anti-radiação, atendendo cenários de alta tensão e alta frequência. Usado em dispositivos de energia de alta tensão, dispositivos RF 5G e outros campos.

Comparado com materiais de Si, as principais vantagens do SiC são:

• O SiC tem 3 vezes a largura do intervalo de banda do Si, o que pode reduzir o vazamento e aumentar a temperatura de tolerância.
• O SiC tem 10 vezes a intensidade do campo de ruptura do Si, pode melhorar a densidade de corrente, a frequência de operação, a capacidade de tensão e reduzir a perda liga-desliga, mais adequado para aplicações de alta tensão.
• O SiC tem 2 vezes a velocidade de deriva de saturação de elétrons do Si, portanto pode trabalhar em uma frequência mais alta.
• O SiC tem 3 vezes a condutividade térmica do Si, melhor desempenho de dissipação de calor, pode suportar alta densidade de potência e reduzir os requisitos de dissipação de calor, tornando o dispositivo mais leve. Portanto, o material SiC tem vantagens óbvias de desempenho do material, pode atender aos requisitos da eletrônica moderna para alta temperatura, alta potência, alta pressão, alta frequência, resistência à radiação e outras condições adversas, adequado para dispositivos de radiofrequência 5G e dispositivos de energia de alta tensão, completo novo campo de energia (fotovoltaica, armazenamento de energia, pilha de carregamento, veículo elétrico, etc.) para leveza, alta eficiência energética, alta força motriz e outros requisitos.

2, Por que usamos SiC como dispositivo? Os dispositivos SiC incluem diodos, transistores e módulos de potência.

Em 2001, a Infineon foi a primeira a lançar produtos SiC JBS. Em 2008, a Semisouth lançou o primeiro dispositivo SiC JFET do tipo permanentemente fechado. Em 2010, a ROHM apresentou os primeiros produtos SiC MOSFET produzidos em massa; Em 2011, a Cree começou a vender MOSFETs SiC e, em 2015, a ROHM continuou a otimizar o lançamento dos MOSFETs de porta ranhurada. Atualmente, o diodo SiC SBD e o transistor MOSFET são atualmente os mais utilizados, a maior maturidade de industrialização, SiC IGBT e GTO e outros dispositivos devido à maior dificuldade técnica, ainda estão em fase de pesquisa e desenvolvimento, e há uma grande lacuna de industrialização.

Dispositivo SiC devido às suas características de material para desempenho elétrico superior:

• Ligado-desligado, a perda de comutação/recuperação é menor: o amplo intervalo de banda faz com que a corrente de fuga do dispositivo SiC seja menor e, sob as mesmas condições de tensão, a resistência ligada do dispositivo SiC é de cerca de 1/200 dos dispositivos baseados em silício, portanto, a perda ligada é inferior; Si FRDS e Si MOSFETs produzem grandes correntes transitórias quando mudam de polarização direta para polarização reversa e grandes perdas durante a transição para polarização reversa. Embora os MOSFETs SiC SBD e SiC sejam a maioria dos dispositivos portadores, a recuperação reversa fluirá apenas através do grau de descarga do capacitor de junção de pequena corrente. Além disso, a corrente transitória quase não é afetada pela temperatura e pela corrente direta, e a recuperação reversa estável e rápida (menos de 20ns) pode ser alcançada sob quaisquer condições ambientais. De acordo com a ROHM, o módulo SiC MOSFET+SBD pode reduzir a perda de energia (Eon) em 34%, portanto a perda de recuperação é baixa; Os dispositivos SiC não possuem trilha de corrente durante o processo de desligamento e, de acordo com ROHM, o módulo SiC MOSFET+SBD pode reduzir a perda de desligamento (Eoff) em 88%, portanto a perda de comutação é menor.
• O dispositivo pode ser miniaturizado: a largura do bandgap do SiC determina que ele pode produzir um dispositivo de energia de alta tensão acima de 600V com uma concentração de dopagem mais alta e uma camada de deriva de espessura de filme mais fina (para produtos com a mesma resistência de tensão e a mesma resistência, o tamanho do chip é menor); A taxa de deriva de elétrons saturados de SiC é alta, de modo que o dispositivo SiC pode atingir maior frequência operacional e maior densidade de potência, pois o aumento da frequência reduz o volume de componentes periféricos, como indutores e transformadores, reduzindo assim o volume e outros custos de componentes após compor o sistema. O SiC tem um amplo intervalo de banda e condutividade térmica significativa, que não só funciona de forma estável sob condições de alta temperatura, mas também facilita a dissipação de calor do dispositivo, por isso tem requisitos mais baixos para o sistema de dissipação de calor.
• Estabilidade térmica dos dispositivos SiC: a tensão de abertura do SiC SBD e Si FRD é inferior a 1V, mas a dependência da temperatura do SiC SBD é diferente daquela do Si FRD: quanto maior a temperatura, a impedância de condução aumentará, o valor VF aumentará tornar-se maior e o descontrole térmico não ocorrerá, melhorando a segurança e a confiabilidade do sistema. Sob a mesma condição de temperatura, SE = 10A, comparação de tensão de condução positiva de diodo de silício e silício, a queda de tensão de condução de diodo SiC Schottky é de 1,5 V, a queda de tensão de condução de diodo de recuperação rápida de silício é de 1,7 V, o desempenho do material SiC é melhor que o material de silício. Além disso, a resistência da camada de deriva do Si MOSFET se tornará 2 vezes maior que a original quando a temperatura subir 100 ° C, mas a resistência da camada de deriva do SiC MOSFET é pequena, outros resistores, como a resistência do canal, diminuirão ligeiramente em alta temperatura, e o a resistência do substrato n + quase não depende da temperatura, portanto, a resistência não é fácil de aumentar sob condições de alta temperatura.

O carboneto de silício tem suas vantagens em áreas de desempenho e aplicação, como:

1). Alto ponto de fusão e condutividade térmica: O carboneto de silício possui ponto de fusão e condutividade térmica muito altos, o que o faz ter um bom desempenho em ambientes de alta temperatura. Em contraste, os materiais semicondutores de silício tradicionais tendem a perder desempenho em altas temperaturas. Outros materiais semicondutores de terceira geração, como o nitreto de gálio (GaN) e o óxido de zinco (ZnO), também apresentam bom desempenho em algumas aplicações específicas, mas a estabilidade e o desempenho do carboneto de silício em altas temperaturas continuam sendo sua vantagem única.

2). Amplo intervalo de banda: o carboneto de silício possui um grande intervalo de banda, resultando em sua estrutura de nível de energia eletrônica com características únicas. Isso permite que o carboneto de silício atinja velocidades de deriva de saturação de elétrons mais altas em dispositivos eletrônicos de alta potência e alta frequência, reduzindo assim as perdas de energia. Em contraste, o nitreto de gálio e o óxido de zinco têm intervalos de bandas menores e são menos adequados para aplicações de alta potência.

3). Alta velocidade de saturação do campo elétrico: os elétrons do carboneto de silício ainda podem manter uma alta velocidade sob um campo elétrico alto e não são facilmente limitados pelo campo elétrico. Isso proporciona ao carboneto de silício excelente desempenho em aplicações de alta frequência, como amplificadores de potência de RF e dispositivos de micro-ondas. Em contraste, embora o nitreto de gálio também apresente vantagens no campo de alta frequência, o carboneto de silício ainda apresenta maior mobilidade eletrônica.

4). Alta intensidade do campo elétrico de ruptura: A intensidade do campo elétrico de ruptura do carboneto de silício é muito alta, o que significa que ele pode trabalhar sob alto campo elétrico sem perder desempenho. Isto é importante para aplicações de alta tensão, eletrônica de potência e sistemas de transmissão de energia. Em contraste, outros materiais semicondutores de terceira geração apresentam menor intensidade de campo elétrico de ruptura.

5). Desempenho de radiofrequência: O carboneto de silício tem um bom desempenho no campo da radiofrequência, com baixa perda e alta capacidade de transporte de energia. Isso o torna amplamente utilizado em comunicação sem fio, sistema de radar e equipamentos eletrônicos de alta frequência. Em contraste, outros materiais semicondutores de terceira geração podem ter propriedades de RF ruins.

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