Semi-conducteur en carbure de silicium

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur très durable doté d'une large bande interdite, capable de résister à des températures et des tensions plus élevées que les semi-conducteurs en silicium standard, ce qui permet aux fabricants de réduire les pertes d'énergie et les dépenses énergétiques.

Les laboratoires EAG ont une grande expérience de l'analyse du SiC en utilisant à la fois des techniques d'analyse en vrac et des techniques d'analyse à résolution spatiale, la structure hexagonale 4H-SiC étant optimale pour les applications à haute puissance.

Applications haute tension

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur de plus en plus important, composé d'atomes de silicium et de carbone disposés en structures cristallines, qui devient rapidement un élément essentiel des véhicules électriques, des systèmes d'énergie renouvelable, des infrastructures de télécommunication et de la microélectronique. Le SiC est plus robuste que le silicium et peut tolérer des températures plus élevées, ce qui lui permet de fonctionner à des niveaux de tension plus élevés tout en réduisant la taille et le poids des composants, pour une efficacité et une densité de puissance accrues des systèmes.

Le SiC possède un champ électrique de rupture jusqu'à 10 fois supérieur à celui du silicium, ce qui permet aux dispositifs présentant une résistance à l'enclenchement extrêmement faible par surface et des tensions de résistance élevées d'atteindre des capacités de résistance à des tensions élevées - ce qui est parfait pour les applications de production d'énergie. En outre, le SiC commute presque dix fois plus vite que le silicium, ce qui réduit la perte de puissance et permet de concevoir des circuits de commande plus petits.

Le SiC naturel est une pierre précieuse rare et coûteuse, tandis que le SiC de qualité semi-conducteur peut être synthétisé à partir de divers précurseurs de silicium et de carbone par dépôt chimique en phase vapeur. Malheureusement, le processus de fabrication actuel limite les plaquettes de SiC commercialement utilisables à six pouces, ce qui augmente les coûts de production par rapport à des dispositifs similaires basés sur des plaquettes de silicium.

EAG Laboratories possède une grande expérience dans l'analyse du carbure de silicium en utilisant à la fois des techniques en vrac, comme la spectrométrie de masse à décharge luminescente et la spectrométrie de fluorescence à rayons X, ainsi que des méthodes d'analyse à résolution spatiale comme l'ablation laser et la spectrométrie de masse à plasma inductif (LA-ICP-MS) et la microscopie électronique à balayage (Energy Dispersive Spectroscopy-Energy Dispersive Spectroscopy-Energy Dispersive Spectroscopy-EDS). Nos experts peuvent vous aider à comprendre vos composants en carbure de silicium afin d'en optimiser les performances et d'en maximiser le potentiel.

Applications automobiles

Les concepteurs de systèmes pour véhicules électriques (VE) peuvent réduire la taille et le poids des batteries, augmenter l'autonomie par charge et diminuer la consommation d'énergie globale en utilisant des semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium. Le carbure de silicium offre des vitesses de commutation plus rapides et une densité de puissance plus élevée que son homologue en silicium, tandis que ses meilleures performances thermiques réduisent les pertes et permettent aux composants de fonctionner à des températures plus élevées pour une durée de vie plus longue.

Le SiC peut supporter des tensions élevées et fonctionner à des fréquences beaucoup plus élevées que les dispositifs en silicium, ce qui le rend idéal pour les convertisseurs de puissance à haut rendement qui alimentent les véhicules électriques. En tant que tel, son utilisation révolutionnera probablement le marché de l'électronique de puissance pendant encore au moins une décennie.

Gobain et Wolfspeed sont les seuls fabricants de carbure de silicium à proposer une gamme étendue de dispositifs en carbure de silicium de qualité automobile conçus pour être utilisés dans les onduleurs des véhicules électriques et d'autres applications de conversion d'énergie à bord et hors bord. Leurs MOSFET et diodes en carbure de silicium sont certifiés AEC-Q101 et compatibles PPAP. Ils sont également conçus pour résister à des environnements difficiles et à des cycles de température.

Alors que la demande mondiale de véhicules électriques (VE) augmente, le passage à des matériaux à large bande interdite tels que le nitrure de gallium et le carbure de silicium n'a cessé de croître. Ces matériaux présentent des bandes interdites plus larges qui permettent aux circuits électroniques de fonctionner de manière plus fiable à des températures, des tensions et des fréquences plus élevées que leurs homologues à base de silicium, ce dont les équipementiers prennent rapidement note et qu'ils adoptent dans leurs conceptions, ce qui stimule les ventes.

Applications du stockage de l'énergie

Les semi-conducteurs en carbure de silicium sont plus efficaces pour transformer l'énergie électrique en énergie utilisable pour les appareils que les semi-conducteurs en silicium plus couramment utilisés, produisant beaucoup moins de chaleur, ce qui permet d'économiser de l'électricité tout en permettant d'utiliser des appareils plus petits et plus légers avec des coûts d'investissement, d'installation et de maintenance plus faibles.

Les semi-conducteurs en carbure de silicium constituent un choix idéal pour de nombreuses applications, notamment l'alimentation électrique des centres de données, les modules de conversion de l'énergie solaire ou éolienne et les convertisseurs d'entraînement des véhicules électriques. Leur capacité à supporter des tensions, des courants et des températures de fonctionnement plus élevés que leurs homologues en silicium permet de minimiser les pertes de puissance globales du système et de réduire les pertes de puissance globales du système.

Les semi-conducteurs en carbure de silicium ont également une résistance à l'enclenchement plus faible que leurs homologues en silicium, ce qui nécessite des composants beaucoup plus petits. Cela se traduit par des facteurs de forme plus petits qui permettent une mise en œuvre plus facile dans les cartes de circuits imprimés ou les blocs-batteries à cellules multiples.

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur créé à partir de poudre de silicium et d'atomes de carbone assemblés en cristaux. Bien que des formes naturelles telles que la moissanite puissent en contenir, la plupart des carbures de silicium utilisés dans les appareils électroniques sont synthétiques. Le carbure de silicium joue un rôle essentiel dans les technologies modernes, notamment les véhicules électriques, les systèmes d'énergie renouvelable et les infrastructures de télécommunication, et offre des performances supérieures à celles du silicium (Si). Pour faire progresser la technologie du carbure de silicium, Penn State a créé la Silicon Carbide Innovation Alliance (Alliance pour l'innovation du carbure de silicium) afin de se positionner en tant que pôle de recherche et de développement.

Applications de charge rapide

Les semi-conducteurs en carbure de silicium peuvent contribuer à répondre à la consommation croissante d'énergie des véhicules électriques en réduisant les pertes du système et la densité de puissance tout en améliorant la vitesse et la fiabilité.

Le carbure de silicium est une combinaison de silicium et de carbone dont le champ de rupture électrique est près de 10 fois supérieur à celui du silicium. Cela permet une plus grande résistance à la tension, un fonctionnement plus efficace et des temps de commutation plus courts. En outre, sa bande interdite est plus large que celle de la plupart des isolants, mais plus étroite que celle des conducteurs, de sorte que les électrons peuvent passer de leur bande de valence à la bande de conduction avec beaucoup moins d'énergie ; de plus, la vitesse de dérive des électrons est deux fois plus élevée que celle du silicium, ce qui permet d'obtenir des dispositifs plus petits avec des vitesses de commutation plus rapides.

La tolérance à la température élevée du carbure de silicium lui permet d'être utilisé dans toute une série d'applications. En le dopant avec de l'azote ou du phosphore, on obtient des semi-conducteurs de type n, tandis que le béryllium, le bore ou le gallium permettent d'obtenir des semi-conducteurs de type p. En outre, sa conductivité thermique supérieure lui permet de dissiper la chaleur plus rapidement que le silicium, ce qui accroît encore ses performances.

Les composants à base de carbure de silicium ont eu un impact considérable sur l'électronique de puissance depuis leur introduction récente, mais ils sont déjà en train de la révolutionner. L'un des principaux obstacles à leur adoption généralisée réside dans l'accès limité à des plaquettes de haute qualité - les méthodes de fabrication actuelles limitent la taille des plaquettes commercialement utilisables à six pouces ; sans cet approvisionnement en plaquettes, le carbure de silicium devient plus coûteux par rapport à d'autres matériaux semi-conducteurs à haute performance tels que le GaN.