Siliziumkarbid-Halbleiter

Siliziumkarbid ist ein äußerst langlebiges Halbleitermaterial mit einer breiten Bandlücke, das höheren Temperaturen und Spannungen standhält als herkömmliche Silizium-Halbleiter und so den Herstellern hilft, Energieverluste und Energiekosten zu senken.

Die EAG Laboratories verfügen über umfangreiche Erfahrung in der Analyse von SiC sowohl mit Bulk- als auch mit ortsaufgelösten Analysetechniken, wobei die hexagonale 4H-SiC-Struktur für Hochleistungsanwendungen optimal ist.

Hochspannungsanwendungen

Siliziumkarbid (SiC) ist ein zunehmend wichtiges Halbleitermaterial, das aus Silizium- und Kohlenstoffatomen besteht, die in Kristallstrukturen angeordnet sind, und das schnell zu einem wesentlichen Bestandteil von Elektrofahrzeugen, Systemen für erneuerbare Energien, Telekommunikationsinfrastrukturen und Mikroelektronik wird. SiC ist widerstandsfähiger als Silizium und verträgt höhere Temperaturen, so dass der Betrieb bei höheren Spannungen möglich ist und gleichzeitig die Größe und das Gewicht der Komponenten reduziert werden können, was zu einer höheren Systemeffizienz und Leistungsdichte führt.

SiC hat eine bis zu 10-mal höhere elektrische Feldstärke als Silizium und ermöglicht so Bauelemente mit extrem niedrigem Durchlasswiderstand pro Fläche und hohen Spannungsfestigkeiten - perfekt für Leistungsanwendungen. Außerdem schaltet SiC fast zehnmal schneller als Silizium, was die Verlustleistung verringert und kleinere Steuerschaltungen ermöglicht.

Natürliches SiC ist ein seltener und teurer Edelstein, während SiC in Halbleiterqualität aus verschiedenen Silizium- und Kohlenstoffvorläufern durch chemische Gasphasenabscheidung synthetisiert werden kann. Leider ist die Größe der kommerziell nutzbaren SiC-Wafer durch das derzeitige Herstellungsverfahren auf sechs Zoll begrenzt, was die Produktionskosten im Vergleich zu ähnlichen Geräten auf Silizium-Wafer-Basis erhöht.

Die EAG Laboratories verfügen über umfangreiche Erfahrungen in der Analyse von Siliziumkarbid, sowohl mit Massenverfahren wie der Glimmentladungs-Massenspektrometrie und der Röntgenfluoreszenzspektrometrie als auch mit ortsaufgelösten Analysemethoden wie der Laserablation-induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometrie (LA-ICP-MS) und der Rasterelektronenmikroskopie-Energiedispersionsspektroskopie-Energiedispersionsspektroskopie (EDS). Unsere Experten können Ihnen helfen, Ihre Siliziumkarbidkomponenten zu verstehen, um die Leistung zu optimieren und das Potenzial zu maximieren.

Automobilanwendungen

Entwickler von Elektrofahrzeugsystemen können durch den Einsatz von Leistungshalbleitern aus Siliziumkarbid die Größe und das Gewicht der Batterien verringern, die Reichweite pro Ladung erhöhen und den Gesamtenergieverbrauch senken. Siliziumkarbid bietet im Vergleich zu seinem Silizium-Gegenstück schnellere Schaltgeschwindigkeiten und eine höhere Leistungsdichte, während seine bessere thermische Leistung die Verluste verringert und es den Komponenten ermöglicht, bei höheren Temperaturen zu arbeiten und so ihre Lebensdauer zu verlängern.

SiC kann hohen Spannungen standhalten und mit viel höheren Frequenzen arbeiten als Siliziumbauteile, was es ideal für hocheffiziente Leistungswandler macht, die Elektrofahrzeuge antreiben. Als solches wird seine Verwendung den Markt für Leistungselektronik wahrscheinlich noch mindestens ein Jahrzehnt lang revolutionieren.

St. Gobain und Wolfspeed sind die einzigen Siliziumkarbid-Hersteller, die ein umfangreiches Portfolio an Siliziumkarbid-Bauelementen in Automobilqualität anbieten, die für den Einsatz in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge und anderen On-Board- und Off-Board-Leistungsumwandlungsanwendungen entwickelt wurden. Ihre Siliziumkarbid-MOSFETs und -Dioden sind AEC-Q101-zertifiziert und PPAP-fähig und für den Einsatz in rauen Umgebungen mit Temperaturwechselfähigkeit ausgelegt.

Mit der weltweit steigenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) hat der Trend zu Materialien mit größerer Bandlücke, wie Galliumnitrid und Siliziumkarbid, stetig zugenommen. Diese Materialien weisen größere Bandlücken auf, die es elektronischen Schaltungen ermöglichen, bei höheren Temperaturen, Spannungen und Frequenzen zuverlässiger zu arbeiten als ihre auf Silizium basierenden Gegenstücke - etwas, das OEMs schnell zur Kenntnis nehmen und in ihre Designs übernehmen, was den Absatz fördert.

Anwendungen zur Energiespeicherung

Siliziumkarbid-Halbleiter wandeln elektrische Energie effektiver in nutzbare Energie für Geräte um als die üblicherweise verwendeten Silizium-Halbleiter. Sie erzeugen weit weniger Wärme, was wiederum Strom spart und kleinere und leichtere Geräte mit geringeren Investitions-, Installations- und Wartungskosten ermöglicht.

Siliziumkarbid-Halbleiter sind eine ideale Wahl für zahlreiche Anwendungen, darunter Stromversorgungen für Rechenzentren, Module zur Umwandlung von Solar- oder Windenergie und Umrichter für Elektrofahrzeuge. Ihre Fähigkeit, höheren Spannungen, Strömen und Betriebstemperaturen standzuhalten als Silizium-Halbleiter, trägt dazu bei, die Leistungsverluste des Gesamtsystems zu minimieren und die Gesamtverluste des Systems zu senken.

Siliziumkarbid-Halbleiter haben auch einen geringeren “Ein”-Widerstand als ihre Silizium-Gegenstücke, so dass deutlich kleinere Bauteile erforderlich sind. Dies führt zu kleineren Formfaktoren, die eine einfachere Implementierung in Leiterplatten oder Batteriepacks mit mehreren Zellen ermöglichen.

SiC ist ein Halbleitermaterial, das aus pulverisierten Silizium- und Kohlenstoffatomen besteht, die zu Kristallen zusammengefügt sind. Obwohl es auch in natürlichen Formen wie Moissanit vorkommt, ist das meiste in elektronischen Geräten verwendete Siliciumcarbid synthetisch. SiC spielt eine wesentliche Rolle in modernen Technologien wie Elektrofahrzeugen, Systemen für erneuerbare Energien und Telekommunikationsinfrastrukturen und bietet eine bessere Leistung als Silizium (Si). Um die SiC-Technologie weiter voranzutreiben, hat die Penn State University die Silicon Carbide Innovation Alliance gegründet, um sich als Forschungs- und Entwicklungszentrum zu etablieren.

Anwendungen für Schnellladungen

Siliziumkarbid-Halbleiter können dazu beitragen, den steigenden Energieverbrauch von Elektrofahrzeugen zu decken, indem sie die Systemverluste und die Leistungsdichte minimieren und gleichzeitig die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit verbessern.

Siliziumkarbid ist eine Kombination aus Silizium und Kohlenstoff mit einem elektrischen Durchbruchfeld, das fast 10-mal größer ist als das von Silizium. Dies ermöglicht eine höhere Spannungsfestigkeit, einen effizienteren Betrieb und kürzere Schaltzeiten. Außerdem ist die Bandlücke breiter als bei den meisten Isolatoren, aber schmaler als bei Leitern, so dass die Elektronen mit viel weniger Energie vom Valenzband in das Leitungsband springen können; außerdem ist die Driftgeschwindigkeit der Elektronen doppelt so hoch wie bei Silizium, was kleinere Geräte mit schnelleren Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht.

Die hohe Temperaturtoleranz von Siliciumcarbid ermöglicht den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen. Durch Dotierung mit Stickstoff oder Phosphor entstehen n-Halbleiter, während Beryllium, Bor oder Gallium p-Halbleiter ermöglichen. Außerdem kann es aufgrund seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit Wärme schneller ableiten als Silizium, was die Leistung weiter steigert.

Bauelemente auf Siliziumkarbidbasis haben die Leistungselektronik seit ihrer Einführung vor kurzem enorm beeinflusst und revolutionieren sie bereits. Ein Haupthindernis für die breite Einführung von Siliziumkarbid ist der begrenzte Zugang zu qualitativ hochwertigen Wafern - die derzeitigen Herstellungsverfahren beschränken die kommerziell nutzbaren Wafergrößen auf sechs Zoll; ohne diesen Vorrat an Wafern wird Siliziumkarbid im Vergleich zu alternativen Hochleistungshalbleitermaterialien wie GaN teurer.