Charakterystyka materiałów węglika krzemu

Charakterystyka materiałów węglika krzemu

SiC (węglik krzemu) to półprzewodnik złożony z krzemu (Si) i węgla (C). W porównaniu z Si, SiC ma dziesięciokrotnie większą wytrzymałość pola przebicia dielektrycznego, trzykrotnie większą przerwę energetyczną i trzykrotnie większą przewodność cieplną. Niezbędne obszary typu p i n do formowania struktur urządzeń w materiałach półprzewodnikowych można formować w SiC. Te cechy sprawiają, że SiC jest bardzo atrakcyjnym materiałem, który można wykorzystać do produkcji urządzeń mocy o wydajności znacznie przewyższającej wydajność jego odpowiedników z Si. Urządzenia SiC mogą wytrzymywać wyższe napięcie przebicia, mają niższą rezystywność i mogą pracować w wyższych temperaturach.

SiC występuje w różnych polimorficznych strukturach krystalicznych, znanych jako politypy, takie jak 3C SiC, 6H SiC i 4H SiC. Obecnie 4H SiC jest zazwyczaj preferowanym wyborem w rzeczywistej produkcji urządzeń mocy. W sprzedaży dostępne są pojedyncze kryształy 4H SiC o średnicach od 3 do 6 cali.

Zalety stosowania materiałów z węglika krzemu w urządzeniach energetycznych

Siła pola przebicia dielektrycznego jest około 10 razy większa niż w przypadku Si. Urządzenia SiC mogą być wykonane z cieńszymi warstwami dryftowymi i/lub wyższymi stężeniami domieszek, co oznacza, że ​​mają bardzo wysokie napięcia przebicia (600 V i wyższe) i mają bardzo niską rezystancję w porównaniu z urządzeniami krzemowymi. Rezystancja urządzeń wysokonapięciowych jest głównie określana przez szerokość obszaru dryftu. Teoretycznie, przy tym samym napięciu przebicia, SiC może zmniejszyć jednostkową rezystancję powierzchniową warstwy dryftowej do 1/300 w porównaniu z Si.

Najpopularniejszym krzemowym urządzeniem zasilającym do zastosowań wysokiego napięcia i wysokiego prądu jest IGBT (tranzystor bipolarny z izolowaną bramką). Dzięki zastosowaniu IGBT uzyskano niską rezystancję przy wysokim napięciu przebicia kosztem poświęcenia wydajności przełączania. Niewielka liczba nośników ładunku jest wstrzykiwana do obszaru dryfu w celu zmniejszenia rezystancji przewodzenia. Gdy tranzystor jest wyłączony, potrzeba czasu, aby te nośniki się połączyły i „rozproszyły”, zwiększając tym samym straty przełączania i czas. Z kolei MOSFET-y są urządzeniami z nośnikami większościowymi. Wykorzystując wysokie pole przebicia i koncentrację nośników SiC, MOSFET-y SiC mogą łączyć wszystkie trzy idealne cechy przełączników mocy, a mianowicie wysokie napięcie, niską rezystancję włączenia i dużą prędkość przełączania.

Większa przerwa pasmowa oznacza również, że urządzenia SiC mogą pracować w wyższych temperaturach. Obecnie gwarantowana temperatura pracy urządzeń SiC wynosi od 150 stopni C do 175 stopni C. Wynika to głównie z niezawodności termicznej opakowania. Jeśli są odpowiednio zapakowane, mogą pracować w temperaturach 200 stopni Celsjusza lub wyższych.

www.superbheater.com