Este artículo presenta principalmente los campos de aplicación y la historia del desarrollo de los diodos de carburo de silicio, y explica en detalle la clasificación y la estructura de los tubos MOS de carburo de silicio. El único componente de silicio y carbono es el carburo de silicio (SiC), comúnmente conocido como esmeril. El carburo de silicio se encuentra en la naturaleza como el mineral moissanita, pero es muy raro. Sin embargo, el carburo de silicio en polvo se produce en grandes cantidades como abrasivo desde 1893. El carburo de silicio se ha utilizado como abrasivo durante más de cien años, principalmente en muelas abrasivas y muchas otras aplicaciones abrasivas.



El SiC presenta una alta resistencia hasta que se alcanza la tensión umbral (VT). Al alcanzar dicha tensión, su resistencia disminuye significativamente hasta que la tensión aplicada cae por debajo de VT. Las primeras aplicaciones eléctricas del SiC que aprovecharon esta propiedad fueron los pararrayos en sistemas de distribución de energía (como se muestra en la figura).


Dado que el SiC posee un varistor, el vástago de SiC puede conectarse entre líneas de alta tensión y tierra. Si un rayo impacta una línea eléctrica, la tensión de alimentación aumentará y superará la tensión umbral (VT) del pararrayos de SiC, dirigiendo así la corriente del rayo a tierra (en lugar de a la línea eléctrica), evitando así daños. Sin embargo, estos pararrayos de SiC conducen demasiada corriente a la tensión de funcionamiento normal de la línea eléctrica. Por lo tanto, los descargadores de chispa deben conectarse en serie. Cuando la tensión en la línea eléctrica aumenta debido a un rayo, el descargador de chispa se ioniza y conduce electricidad, conectando eficazmente el pararrayos de SiC entre la línea eléctrica y tierra. Posteriormente, el personal pertinente descubrió que el descargador de chispa utilizado por el pararrayos no era fiable. Debido a fallos en el material, polvo o intrusión de sal, puede ocurrir que el descargador de chispa no genere el arco cuando sea necesario o no lo extinga tras un rayo. Los pararrayos de carburo de silicio se diseñaron originalmente para eliminar la dependencia de los espacios de chispa, pero debido a su fiabilidad, los pararrayos de carburo de silicio con espacio han sido reemplazados en su mayoría por varistores sin espacio con núcleo de óxido de zinc.

SiC en electrónica de potencia

Existen muchos tipos de dispositivos semiconductores fabricados con carburo de silicio, incluyendo diodos Schottky (también llamados diodos de barrera Schottky o SBD), transistores de efecto de campo tipo J (o JFET) y transistores de efecto de campo utilizados en aplicaciones de conmutación de alta potencia. Algunas empresas han comenzado a experimentar con chips de diodos Schottky de carburo de silicio para la fabricación de módulos electrónicos de potencia. De hecho, los sustratos de silicio se han utilizado ampliamente en módulos de potencia IGBT y circuitos de corrección del factor de potencia.

Ventajas y desventajas del SiC

Una de las razones por las que los componentes electrónicos de potencia basados ​​en carburo de silicio resultan tan atractivos es que, a un voltaje de bloqueo determinado, su densidad de dopaje es casi cien veces mayor que la de los dispositivos basados ​​en silicio. De esta forma, se puede obtener un alto voltaje de bloqueo con una baja resistencia de encendido. Una baja resistencia de encendido es importante para aplicaciones de alta potencia, ya que al reducirla se genera menos calor, disminuyendo así la carga térmica del sistema y aumentando la eficiencia general.



Sin embargo, la producción de componentes electrónicos a base de carburo de silicio presenta algunas dificultades, y la eliminación de defectos se ha convertido en el aspecto más importante. Estos defectos provocan propiedades de barrera inversa deficientes en los componentes fabricados con cristales de SiC. Además de los problemas de calidad cristalina, los problemas de interfaz entre el dióxido de silicio y el SiC también dificultan el desarrollo de MOSFET de potencia y cristales bipolares de puerta aislada basados ​​en SiC. Afortunadamente, el uso de la tecnología de nitruración en la producción puede reducir considerablemente los defectos que causan estos problemas de interfaz.

disco abrasivo de SiC

El carburo de silicio se sigue utilizando como abrasivo en numerosas aplicaciones industriales. En la industria electrónica, se emplea principalmente como película de pulido para pulir ambos extremos de las fibras ópticas antes del empalme. Esto permite obtener conectores de fibra óptica con una gran suavidad, lo que garantiza un funcionamiento eficiente. El carburo de silicio se produce desde hace más de cien años, pero su uso en la industria de la electrónica de potencia es relativamente reciente. Gracias a sus propiedades físicas y eléctricas especiales, resulta muy útil en aplicaciones de alta presión y alta temperatura.



En la actualidad, los diodos de carburo de silicio se utilizan en diversos campos.



1. Inversor solar.



Los diodos de carburo de silicio son el material básico de los diodos solares y superan a la tecnología de diodos bipolares convencionales en diversos indicadores técnicos. Los diodos de carburo de silicio se encienden y apagan con gran rapidez y no presentan corriente de recuperación inversa al conmutar con la tecnología de diodos bipolares convencional. Al eliminar este efecto, los diodos de carburo de silicio reducen el consumo de energía en un 70 % y mantienen una alta eficiencia energética en un amplio rango de temperaturas, lo que aumenta la flexibilidad de los diseñadores para optimizar la frecuencia de funcionamiento del sistema.



2. Cargador para vehículos de nueva energía.



Tras superar las pruebas de homologación para automoción, la tensión de ruptura de los diodos de carburo de silicio se ha incrementado a 650 voltios, lo que permite a diseñadores y fabricantes de automóviles reducir el coeficiente de compensación de tensión y, por lo tanto, garantizar un margen de seguridad suficiente entre la tensión nominal y la tensión máxima instantánea de los componentes semiconductores recargables a bordo. El diodo de doble tubo optimiza el espacio y reduce el peso del cargador del coche.

3. Ventajas de las fuentes de alimentación conmutadas.

El uso de diodos de carburo de silicio permite una conmutación muy rápida, opera a altas frecuencias y presenta propiedades de recuperación nula e independencia de la temperatura. Gracias a nuestros encapsulados RP de baja inductancia, estos diodos pueden utilizarse en diversos circuitos de conmutación rápida o convertidores de alta frecuencia.



4. Ventajas industriales.



Diodos de carburo de silicio: Se utilizan principalmente en convertidores de potencia de alta frecuencia en motores de servicio pesado y equipos industriales, ofreciendo las ventajas de alta eficiencia, alta potencia y alta frecuencia.

Dispositivos SiC

Primero. Clasificación de los dispositivos de SiC.



Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico de carburo de silicio.



Los transistores de efecto de campo de carburo de silicio son los dispositivos que generan mayor interés en la investigación de dispositivos electrónicos de potencia de carburo de silicio. Actualmente, los materiales de silicio se acercan al límite teórico de rendimiento, y los dispositivos de potencia de carburo de silicio se consideran "dispositivos ideales" debido a su alta tensión de ruptura, bajas pérdidas y alta eficiencia. Sin embargo, en comparación con los dispositivos de silicio anteriores, el equilibrio entre rendimiento y coste, junto con la necesidad de alta tecnología, será clave para impulsar el desarrollo de los dispositivos de potencia de carburo de silicio.



En segundo lugar, la estructura del MOS de carburo de silicio.



La región de fuente N+ y el transistor de efecto de campo de óxido metálico semiconductor se dopan con N+ mediante implantación iónica y se recocen a 1700 °C. Otro proceso clave es la formación del óxido de puerta de óxido metálico semiconductor de carburo de silicio. Debido a que el carburo de silicio contiene átomos de silicio y carbono, se requiere un método muy específico para el crecimiento del dieléctrico de puerta. Las ventajas de la estructura de ranura son las siguientes:



La estructura de trinchera de los transistores de efecto de campo de carburo de silicio permite aprovechar al máximo las características del carburo de silicio.



En tercer lugar, las ventajas de los transistores MOS de carburo de silicio.



En general, los IGBT de silicio solo pueden operar a frecuencias inferiores a 20 kHz. Debido a las limitaciones de los materiales, no es posible fabricar dispositivos de silicio de alta tensión y alta frecuencia. Los MOSFET de carburo de silicio no solo son adecuados para un amplio rango de tensión, desde 600 V hasta 10 kV, sino que también ofrecen el excelente rendimiento de conmutación de los dispositivos unipolares. En comparación con los IGBT de silicio, los transistores de efecto de campo de carburo de silicio presentan menores pérdidas de conmutación y frecuencias de operación más altas cuando no hay corriente residual en el circuito de conmutación.



La pérdida de un módulo MOSFET de carburo de silicio de 20 kHz puede ser la mitad que la de un módulo IGBT de silicio de 3 kHz, y un módulo de carburo de silicio de 50 A puede reemplazar a un módulo de silicio de 150 A. Esto demuestra las enormes ventajas de los transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico de carburo de silicio en términos de frecuencia de operación y eficiencia.



El tiempo de recuperación inversa (trr) y la carga de recuperación inversa (Qrr) del diodo intrínseco parásito de un MOSFET de carburo de silicio son muy pequeños. Como se muestra en la figura, la carga inversa del diodo parásito de un MOSFET de carburo de silicio es solo el 5 % de la carga inversa de un MOSFET de silicio con la misma especificación de voltaje. Para circuitos puente (especialmente cuando el convertidor LLC opera por encima de la frecuencia de resonancia), este indicador es fundamental para reducir las pérdidas y el ruido causados ​​por el tiempo muerto y la recuperación inversa del diodo intrínseco, y ayuda a mejorar la frecuencia de conmutación.



En cuarto lugar, ¡la aplicación de tubos MOS de carburo de silicio!



Los módulos MOSFET de carburo de silicio ofrecen grandes ventajas en aplicaciones de sistemas de potencia media y alta, como la generación de energía fotovoltaica, la generación de energía eólica, los vehículos eléctricos y el transporte ferroviario. Las ventajas de alto voltaje, alta frecuencia y alta eficiencia de los dispositivos de carburo de silicio permiten superar las limitaciones de rendimiento de los dispositivos en los diseños de vehículos eléctricos existentes, lo que constituye el foco de la investigación y el desarrollo en el campo de los vehículos eléctricos a nivel nacional e internacional. Por ejemplo, las unidades de control de potencia (PCU) en vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos eléctricos puros (EV) desarrollados conjuntamente por Denso y Toyota utilizan módulos MOSFET de carburo de silicio, reduciendo así la relación de volumen a 1/5. El sistema de accionamiento del motor EV desarrollado por Mitsubishi utiliza módulos SiCMOSFET para integrar el módulo de accionamiento de potencia en el motor, logrando así los objetivos de integración y miniaturización. Se prevé que los módulos MOSFET de carburo de silicio se utilicen ampliamente en vehículos eléctricos a nivel nacional e internacional en los próximos años.


Wuxi Guojing Micro Semiconductor Technology Co., Ltd. es una empresa innovadora de alta tecnología dedicada a la investigación, el desarrollo y la industrialización de dispositivos de potencia de carburo de silicio (SiC), dispositivos optoelectrónicos de nitruro de galio (GaN) y circuitos integrados convencionales. Se especializa en transistores de efecto de campo de carburo de silicio, diseño, producción y venta de diodos Schottky de carburo de silicio, relés optoacopladores de GaN, circuitos integrados de un solo chip y otros chips, además de brindar servicios de soporte para el diseño de soluciones integrales de productos relacionados. Su sede central se encuentra en la Zona de Desarrollo de Alta Tecnología de Wuxi, provincia de Jiangsu, y cuenta con centros de I+D, centros de soporte de ventas y oficinas en Shenzhen y Hong Kong.



Los dispositivos de potencia de carburo de silicio de la empresa cubren las series 650V/2A-100A, 1200V/2A-90A, 1700V/5A-80A y otras. Los productos se han puesto en producción en masa y son totalmente comparables a la calidad y el nivel avanzados de las marcas internacionales. Se han lanzado sucesivamente diodos Schottky de carburo de silicio de corriente y voltaje completos y productos de la serie MOSFET de carburo de silicio, y han superado las pruebas de fiabilidad de grado industrial y automotriz, y su rendimiento ha alcanzado el nivel avanzado internacional. Se utilizan en fuentes de alimentación de inversores solares, vehículos eléctricos de nueva energía y estaciones de carga, redes inteligentes, soldadura de alta frecuencia, transporte ferroviario, fuentes de alimentación especiales para control industrial, defensa nacional e industria militar, entre otros campos. Debido a sus características de conmutación de alta velocidad y baja resistencia de encendido, pueden exhibir excelentes características eléctricas incluso en condiciones de alta temperatura, reduciendo en gran medida las pérdidas de conmutación, haciendo que los componentes sean más pequeños, ligeros y eficientes, y mejorando la fiabilidad de todo el sistema. La autonomía máxima de los vehículos eléctricos puede reducirse en un 10 %, el peso total del vehículo puede disminuir en aproximadamente un 5 %, y se puede lograr un funcionamiento seguro y estable en el entorno de alta temperatura del punto de recarga para el que está diseñado.



La mayoría de los ingenieros del equipo central de I+D de la empresa poseen una maestría o un título superior, y muchos doctores son responsables del desarrollo de los proyectos. La empresa ha establecido un sistema estandarizado para la innovación científica y tecnológica y la gestión de la propiedad intelectual. Ha acumulado numerosas tecnologías clave en diseño de circuitos, diseño de dispositivos y procesos semiconductores, diseño de confiabilidad, extracción de modelos de dispositivos, etc., y cuenta con múltiples patentes de invención propias, tanto nacionales como internacionales.

"El arma más importante del país, partiendo de la cristalización, la superación personal, la autosuficiencia y el logro de un éxito centenario", es el objetivo común de Guojing Micro Semiconductor. Ofrecemos un excelente entorno de desarrollo para nuestros empleados y brindamos productos y servicios de alta calidad a nuestros clientes. Esperamos sinceramente un futuro mutuamente beneficioso junto a usted.

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