يتمتع كربيد السيليكون بخصائص ممتازة كمادة شبه موصلة، وخاصة بالنسبة لمكونات الطاقة المستخدمة في تحويل الطاقة والتحكم فيها.بالمقارنة مع أجهزة السيليكون التقليدية، يتميز كربيد السيليكون بمقاومة منخفضة، وسرعة تبديل عالية، وقدرة على العمل في درجات حرارة وفولتية عالية، مما يجعله شائع الاستخدام في مصادر الطاقة، والسيارات، والسكك الحديدية، والمعدات الصناعية، والأجهزة الإلكترونية المنزلية. ورغم إمكانية تصنيع كربيد السيليكون (SiC) في نهاية المطاف من خلال التخليق الاصطناعي، إلا أن إنتاج مكونات الطاقة منه بكميات كبيرة كان يمثل تحديًا كبيرًا للباحثين نظرًا لصعوبة معالجته.

※ ما هو كربيد السيليكون (SiC)؟

كربيد السيليكون هو مادة شبه موصلة مركبة تتكون من عنصري الكربون والسيليكون.تُعرف مواد مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) ونيتريد الألومنيوم (ALN) وأكسيد الغاليوم (Ga2O3) وغيرها مجتمعةً باسم مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة، وذلك لأن عرض فجوة النطاق فيها أكبر من 2.2 إلكترون فولت. وتُعرف أيضاً في الصين باسم مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث.

من الناحية المادية، تنقسم صناعة أشباه الموصلات إلى:

مواد أشباه الموصلات الأولية من الجيل الأول: مثل السيليكون (Si) والجرمانيوم (Ge)؛

مواد أشباه الموصلات المركبة من الجيل الثاني: مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الإنديوم (InP) وما إلى ذلك؛

الجيل الثالث من المواد ذات فجوة النطاق الواسعة: مثل كربيد السيليكون (SiC)، نتريد الغاليوم (GaN)، نتريد الألومنيوم (ALN)، أكسيد الغاليوم (Ga2O3)، إلخ.

ومن بينها، يعتبر كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم من مواد أشباه الموصلات ذات الآفاق التجارية الأكثر إشراقًا في الوقت الحاضر، ويمكن تسميتهما بالجيل الجديد من "المسار الذهبي" في صناعة أشباه الموصلات.

اكتُشف كربيد السيليكون لأول مرة في التاريخ عام 1891. اكتشف الأمريكي أتشيسون مركبًا كربونيًا أثناء التحليل الكهربائي للماس. كان هذا أول اكتشاف وتخليق لكربيد السيليكون. بعد مئة عام من البحث، ولا سيما مع دخول القرن الحادي والعشرين، تمكن الإنسان أخيرًا من فهم مزايا وخصائص كربيد السيليكون، واستخدم هذه الخصائص في صناعة العديد من الأجهزة الجديدة. وشهدت صناعة كربيد السيليكون نموًا سريعًا.

بالمقارنة مع مواد السيليكون التقليدية، فإن فجوة النطاق لكربيد السيليكون تبلغ 3 أضعاف فجوة النطاق للسيليكون؛ والتوصيل الحراري يبلغ 4-5 أضعاف التوصيل الحراري للسيليكون؛ وجهد الانهيار يبلغ 8 أضعاف جهد الانهيار للسيليكون؛ ومعدل انجراف تشبع الإلكترون يبلغ ضعف معدل انجراف تشبع الإلكترون للسيليكون.إن الخصائص المختلفة تجعل كربيد السيليكون مناسبًا بشكل خاص لتصنيع الأجهزة عالية التردد وعالية الطاقة التي يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية والفولتية العالية والتيارات العالية.

يوجد حاليًا حوالي 200 شكل معروف من أشكال البنية البلورية لكربيد السيليكون، بما في ذلك البنية البلورية المكعبة ذات التعبئة المتقاربة من نوع سفاليريت α (2H، 4H، 6H، 15R) والبنية البلورية السداسية ذات التعبئة المتقاربة من نوع وورتزيت β (3C-SiC).

من بينها، يمكن استخدام البنية البلورية β (3C-SiC) في تصنيع أجهزة عالية التردد وركائز لمواد الأغشية الرقيقة الأخرى، مثل تنمية طبقات نتريد الغاليوم فوقية وتصنيع أجهزة ترددات الراديو الميكروية المصنوعة من نتريد الغاليوم والمبنية على كربيد السيليكون. أما الشكل البلوري α (4H) فيمكن استخدامه في تصنيع أجهزة عالية الطاقة؛ بينما يُعد الشكل 6H الأكثر استقرارًا ويمكن استخدامه في تصنيع الأجهزة الكهروضوئية.

※ مزايا أداء كربيد السيليكون

إذا اقتصرنا على رقائق كربيد السيليكون، فمن حيث أشباه الموصلات المستخدمة في الطاقة، يتمتع كربيد السيليكون بمزايا لا تُضاهى مقارنةً برقائق الطاقة التقليدية المصنوعة من السيليكون: فهو يتحمل تيارات وفولتيات أعلى، وسرعة تبديل أسرع، وفقد طاقة أقل، كما أنه أكثر مقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة. لذلك، يمكن لوحدات الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون أن تقلل من عدد المكثفات والمحاثات والملفات ومكونات تبديد الحرارة، مما يجعل وحدة الطاقة بأكملها أخف وزنًا وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، مع قدرة خرج أعلى. كما أنه يعزز الموثوقية. هذه المزايا واضحة للغاية. وفيما يلي ملخص تفصيلي:

1. انخفاض المقاومة يؤدي إلى تصميم منتج أصغر حجماً وكفاءة أعلى؛

2. مناسب للترددات العالية وسرعة التبديل الأسرع؛

3. خصائص ممتازة في درجات الحرارة العالية، قادر على العمل في درجات حرارة أعلى.

※ لماذا يعتبر كربيد السيليكون باهظ الثمن؟

يعلم الجميع أن كربيد السيليكون لديه آفاق تجارية هائلة في المستقبل، ولكن كل من ينضم إلى هذه الصناعة سيواجه المشكلة الأولى والأكثر عملية، وهي: ماذا نفعل بهذه المادة؟

إن نصف السبب على الأقل وراء بيئة الأعمال الناضجة للغاية للصناعات التقليدية القائمة على السيليكون هو سهولة الحصول على مواد السيليكون نسبياً.بفضل تقنيات تحضير السيليكون المتطورة والفعالة، أصبح سعر السيليكون منخفضاً جداً في الوقت الحالي. يبلغ سعر رقاقة السيليكون المصقولة مقاس 6 بوصات 150 يواناً فقط، و8 بوصات 300 يوان، و12 بوصة حوالي 850 يواناً.

لا يمكن توسيع نطاق الصناعة إلا عندما تصبح المواد الخام رخيصة بما يكفي!

حالياً، باستخدام طريقة تشوخرالسكي، يمكن إنماء قضيب بلوري أحادي من السيليكون بطول حوالي 2-3 أمتار في 72 ساعة، ويمكن لقضيب بلوري أحادي واحد أن يقطع آلاف رقائق السيليكون في المرة الواحدة.

هل تعلم كم يبلغ سمك بلورة أحادية من كربيد السيليكون يمكن إنماؤها في 72 ساعة؟ أقل من بضعة سنتيمترات!

حالياً، أسرع طريقة لنمو بلورات كربيد السيليكون الأحادية لديها معدل نمو يبلغ حوالي 0.1 مم/ساعة - 0.2 مم/ساعة، لذا فإن سمك البلورة يبلغ 7.2 مم ~ 14.4 مم فقط في 72 ساعة.

لذا يمكنك تخيل مدى ارتفاع تكلفة رقائق السيليكون كاربيد المفردة المنتجة. حاليًا، يتراوح سعر ركائز السيليكون كاربيد مقاس 4 بوصات بين 2,000 و3,000 يوان، بينما وصل سعر الركائز مقاس 6 بوصات إلى ما بين 6,000 و8,000 يوان. أما رقائق الإبيتاكسيال، فسعرها يتجاوز ضعف سعر رقائق X2، ولا تزال أسعارها مرتفعة ومتوفرة بكميات محدودة.

باعتبارها الشركة الرائدة عالمياً في مجال كربيد السيليكون، تستحوذ شركة كري الأمريكية على ما يقارب 70% من الطاقة الإنتاجية. ولذلك، أبرمت شركات التصنيع المحلية والأجنبية عقوداً طويلة الأجل مع كري لضمان استمرارية إنتاجها.

※ سوق كربيد السيليكون

تُستخدم ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون وثنائيات كربيد السيليكون في تطبيقات الطاقة الشمسية، وأنظمة الطاقة غير المنقطعة (UPS)، والتطبيقات الصناعية، والسيارات، وغيرها:تتركز تطبيقات كربيد السيليكون بشكل أساسي في محولات الطاقة في أنظمة تخزين الطاقة الكهروضوئية، ووحدات تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS) لخوادم مراكز البيانات، ومحطات شحن الشبكات الذكية، وغيرها من المجالات التي تتطلب كفاءة تحويل عالية. ومع ذلك، ومع تطور المركبات الكهربائية والهجينة (xEV) في السنوات الأخيرة، برز كربيد السيليكون (SiC) بسرعة في هذا المجال الجديد. وتشمل الصناعات المستفيدة منه قطاعات الطاقة (الطاقة الكهروضوئية، وشحن المركبات الكهربائية، والشبكات الذكية، وغيرها)، والسيارات (وحدات التحكم في المركبات، ومحولات الطاقة)، ​​والبنية التحتية (الخوادم)، وغيرها.

باختصار، يمكننا أن نتوقع في المستقبل القريب أن يكون لكربيد السيليكون تأثير ثوري على صناعة إلكترونيات الطاقة!

تنويه: هذه المقالة مُعاد نشرها من مجلة "أشباه الموصلات اليوم"، التي تدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي واسم المؤلف. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.

رقم هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي

ف ف: 332496225 مدير تشيو

العنوان: الغرفة 809، المبنى ج، مبنى زانتاو للتكنولوجيا، رقم 1079 شارع مينزي، منطقة لونغهوا الجديدة، شنتشن