Halvledare av kiselkarbid

Kiselkarbid är ett mycket tåligt halvledarmaterial med brett bandgap som klarar högre temperaturer och spänningar än vanliga kiselhalvledare och därmed hjälper tillverkare att minska energiförluster och energiförbrukning.

EAG Laboratories har lång erfarenhet av att analysera SiC med både bulk- och spatialt upplösta analystekniker, där den hexagonala strukturen hos 4H-SiC är optimal för högeffektstillämpningar.

Högspänningsapplikationer

Kiselkarbid (SiC) är ett allt viktigare halvledande material tillverkat av kisel- och kolatomer som är ordnade i kristallstrukturer och som snabbt håller på att bli en viktig del av elfordon, system för förnybar energi, infrastruktur för telekommunikation och mikroelektronik. SiC är mer robust än kisel och tål högre temperaturer, vilket ger möjlighet att arbeta vid högre spänningsnivåer med mindre komponenter och lägre vikt för ökad systemeffektivitet och effekttäthet.

SiC har upp till 10 gånger så hög elektrisk fältstyrka som kisel, vilket gör det möjligt för enheter med extremt lågt ON-motstånd per area och hög spänningstålighet att uppnå hög spänningstålighet - perfekt för kraftapplikationer. Dessutom växlar SiC nästan tio gånger snabbare än kisel, vilket minskar effektförlusterna och gör det möjligt att konstruera mindre styrkretsar.

Naturligt SiC är en sällsynt och dyr ädelsten, medan SiC av halvledarkvalitet kan syntetiseras från olika kisel- och kolprekursorer genom kemisk ångdeposition. Tyvärr begränsar den nuvarande tillverkningsprocessen kommersiellt användbara SiC-wafers till sex tum, vilket ökar produktionskostnaderna i förhållande till liknande kiselwaferbaserade enheter.

EAG Laboratories har lång erfarenhet av att analysera kiselkarbid med hjälp av både bulktekniker, som Glow Discharge Mass Spectrometry och X-ray Fluorescence Spectrometry, samt rumsligt upplösta analysmetoder som Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) och Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive Spectroscopy-Energy Dispersive Spectroscopy-Energy Dispersive Spectroscopy-EDS). Våra experter kan hjälpa dig att förstå dina kiselkarbidkomponenter för att optimera prestanda och maximera potentiell potential.

Tillämpningar inom fordonsindustrin

Konstruktörer av system för elfordon kan minska batteristorleken och -vikten, förlänga räckvidden per laddning och minska den totala energiförbrukningen genom att använda effekthalvledare tillverkade av kiselkarbid. Kiselkarbid ger snabbare växlingshastigheter och högre effekttäthet jämfört med kisel, samtidigt som dess bättre termiska prestanda minskar förlusterna och gör att komponenterna kan arbeta vid högre temperaturer och därmed få längre livslängd.

SiC tål höga spänningar och arbetar vid mycket högre frekvenser än kiselkretsar, vilket gör det idealiskt för högeffektiva kraftomvandlare som driver elfordon. Användningen av SiC kommer sannolikt att revolutionera marknaden för kraftelektronik under åtminstone ytterligare ett decennium eller mer.

St Gobain och Wolfspeed är de enda kiselkarbidtillverkarna som erbjuder en omfattande portfölj av kiselkarbidkomponenter för fordonsindustrin, avsedda att användas i växelriktare för elfordon och andra applikationer för kraftomvandling i och utanför fordon. Deras MOSFETs och dioder av kiselkarbid är AEC-Q101-certifierade och PPAP-kompatibla, samt konstruerade för att klara tuffa miljöer med temperaturcykler.

I takt med att den globala efterfrågan på elfordon (EVs) ökar, har övergången till material med större bandgap, som galliumnitrid och kiselkarbid, ökat stadigt. Dessa material har större bandgap som gör att elektroniska kretsar kan köras mer tillförlitligt vid högre temperaturer, spänningar och frekvenser än deras kiselbaserade motsvarigheter - något som OEM-tillverkare snabbt noterar och inför i sina konstruktioner, vilket driver försäljningen.

Tillämpningar för energilagring

Halvledare av kiselkarbid är mer effektiva när det gäller att omvandla elektrisk energi till användbar kraft för apparater än de vanligare kiselhalvledarna, vilket ger mycket mindre värme och i sin tur sparar el samtidigt som det möjliggör mindre och lättare apparater med lägre kapital-, installations- och underhållskostnader.

Halvledare av kiselkarbid är ett idealiskt val för många tillämpningar, t.ex. strömförsörjning till datacenter, moduler för omvandling av sol- och vindenergi och växelriktare för elfordon. Deras förmåga att klara högre spänningar, strömmar och driftstemperaturer än kiselmotsvarigheter bidrar till att minimera systemets totala effektförluster och till att sänka systemets totala effektförluster.

Halvledare av kiselkarbid har också lägre "on"-resistans än motsvarande kiselbaserade halvledare, vilket kräver betydligt mindre komponenter. Detta leder till mindre formfaktorer som gör det lättare att implementera i kretskort eller batteripaket med flera celler.

SiC är ett halvledande material som skapats av pulveriserade kisel- och kolatomer som satts samman till kristaller. Även om naturliga former som moissanit kan innehålla det, är den mesta kiselkarbid som används i elektroniska enheter syntetisk. SiC spelar en viktig roll i modern teknik, inklusive elfordon, system för förnybar energi och infrastruktur för telekommunikation, och erbjuder överlägsen prestanda jämfört med kisel (Si). För att ytterligare främja SiC-tekniken etablerade Penn State Silicon Carbide Innovation Alliance för att etablera sig som ett nav för forskning och utveckling.

Applikationer för snabbladdning

Halvledare av kiselkarbid kan hjälpa till att möta den växande energiförbrukningen från elfordon genom att minimera systemförlusterna och effekttätheten samtidigt som hastigheten och tillförlitligheten förbättras.

Kiselkarbid är en kombination av kisel och kol med ett elektriskt genomslagsfält som är nästan 10 gånger större än kisels. Detta möjliggör högre spänningstålighet, effektivare drift och kortare omkopplingstider. Dessutom är dess bandgap bredare än de flesta isolatorer men smalare än ledare så att elektroner kan hoppa från sitt valensband till ledningsbandet med mycket mindre energi; dessutom fördubblas elektronernas drifthastighet jämfört med kisel för mindre enheter med snabbare omkopplingshastigheter.

Kiselkarbidens höga temperaturtolerans gör att den kan användas i en rad olika applikationer. Genom att dopa den med kväve eller fosfor skapas halvledare av n-typ, medan beryllium, bor eller gallium ger halvledare av p-typ. Dessutom gör den överlägsna värmeledningsförmågan att den kan avleda värme snabbare än kisel, vilket ytterligare ökar prestandan.

Kiselkarbidbaserade komponenter har haft en enorm inverkan på kraftelektroniken sedan de introducerades helt nyligen, men revolutionerar den redan. Ett viktigt hinder för deras breda användning är den begränsade tillgången till högkvalitativa wafers - nuvarande tillverkningsmetoder begränsar kommersiellt användbara waferstorlekar till sex tum; utan denna tillgång till wafers blir kiselkarbid dyrare jämfört med alternativa högpresterande halvledarmaterial som GaN.