מאמר זה מציג בעיקר את תחומי היישומים ואת היסטוריית הפיתוח של דיודות סיליקון קרביד, ומסביר בפירוט את הסיווג והמבנה של צינורות סיליקון קרביד MOS. המרכיב היחיד של סיליקון ופחמן הוא סיליקון קרביד (SiC), הידוע בכינויו אמרי. סיליקון קרביד מופיע בטבע כמינרל מויסניט, אך הוא נדיר מאוד. עם זאת, סיליקון קרביד אבקתי מיוצר בכמויות גדולות כחומר שוחק מאז 1893. סיליקון קרביד משמש כחומר שוחק כבר למעלה ממאה שנה, בעיקר בגלגלי השחזה וביישומים רבים אחרים של שיוף.



"ל-SiC יש התנגדות גבוהה עד שמגיעים למתח הסף (VT). כאשר מגיעים למתח הסף, ההתנגדות שלו תפחת משמעותית עד שהמתח המופעל יירד מתחת ל-VT." היישומים החשמליים המוקדמים ביותר של SiC שניצלו תכונה זו היו מעכבי ברקים במערכות חלוקת חשמל (מוצגים באיור).


מכיוון של-SiC יש וריסטור, ניתן לחבר את גזע ה-SiC בין קווי מתח גבוה לאדמה. אם קו חשמל נפגע מברק, מתח אספקת החשמל יעלה ויעבור את מתח הסף (VT) של מעכב ה-SiC, ובכך יפנה ויעביר את זרם הברק לאדמה (במקום לקו החשמל), ובכך לא יגרום נזק. אך מעכבי SiC אלה מוליכים זרם רב מדי במתח ההפעלה הרגיל של קו החשמל. לכן, יש לחבר את פערי הניצוץ בטור. כאשר המתח על קו החשמל עולה עקב מכת ברק, פער הניצוץ יינן ויוליך חשמל, ויחבר למעשה את מעכב ה-SiC בין קו החשמל לאדמה. מאוחר יותר, גילו אנשי צוות רלוונטיים כי פער הניצוץ בו משתמש המעכב אינו אמין. עקב כשל חומרי, חדירת אבק או מלח, ייתכן שפער הניצוץ לא יפעיל את הקשת בעת הצורך או לא יצליח לכבות את הקשת לאחר מכת ברק. מעצרי סיליקון קרביד תוכננו במקור כדי לבטל את התלות בפערי ניצוצות, אך בשל אמינותם, מעצרי סיליקון קרביד עם פערים הוחלפו בעיקר בוריסטורים ללא פערים בעלי ליבת תחמוצת אבץ.

SiC באלקטרוניקה של הספק

ישנם סוגים רבים של התקני מוליכים למחצה המיוצרים מסיליקון קרביד, כולל דיודות שוטקי (הנקראות גם דיודות מחסום שוטקי או SBD), טרנזיסטורי אפקט שדה מסוג J (או JFETs), וטרנזיסטורי אפקט שדה המשמשים ביישומי מיתוג בעלי הספק גבוה. חברות מסוימות החלו לנסות ליישם שבבי דיודת שוטקי מסיליקון קרביד במודולים אלקטרוניים להספק. למעשה, מצעי סיליקון נמצאים בשימוש נרחב במודולי הספק IGBT ובמעגלי תיקון גורם הספק.

יתרונות וחסרונות של SiC

אחת הסיבות לכך שרכיבים אלקטרוניים מבוססי סיליקון קרביד כה אטרקטיביים היא שבמתח חסימה נתון, צפיפות הסימום שלהם גבוהה כמעט פי מאה מזו של התקנים מבוססי סיליקון. בדרך זו, ניתן להשיג מתח חסימה גבוה עם התנגדות הפעלה נמוכה. התנגדות הפעלה נמוכה חשובה עבור יישומים בעלי הספק גבוה מכיוון שכאשר התנגדות ההפעלה מצטמצמת, נוצר פחות חום, מה שמפחית את העומס התרמי על המערכת ומגביר את היעילות הכוללת.



עם זאת, ישנם קשיים מסוימים בייצור רכיבים אלקטרוניים מבוססי סיליקון קרביד, וסילוק פגמים הפך לבעיה החשובה ביותר. פגמים אלה יגרמו לתכונות מחסום הפוך ירודות של רכיבים העשויים מגבישי SiC. בנוסף לבעיות באיכות הגביש, בעיות ממשק בין סיליקון דו-חמצני ל-SiC מעכבות גם את פיתוחם של טרנזיסטורי MOSFET מבוססי SiC וגבישים דו-קוטביים בעלי שער מבודד. למרבה המזל, שימוש בטכנולוגיית ניטרידציה בייצור יכול להפחית במידה ניכרת את הפגמים הגורמים לבעיות ממשק אלו.

דיסק שיוף SiC

סיליקון קרביד עדיין משמש כחומר שוחק ביישומים תעשייתיים רבים. הוא משמש בעיקר כסרט ליטוש בתעשיית האלקטרוניקה לליטוש שני קצוות של סיבים אופטיים לפני שחבור. אלה יכולים להביא רמה גבוהה של חלקות למחברי סיבים אופטיים לפעולה יעילה. סיליקון קרביד מיוצר כבר למעלה ממאה שנה אך רק לאחרונה נעשה בו שימוש בתעשיית האלקטרוניקה להספק. בשל תכונותיו הפיזיקליות והחשמליות המיוחדות, הוא שימושי מאוד ביישומים בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה.



כיום, דיודות סיליקון קרביד משמשות בתחומים שונים.



1. ממיר סולארי.



דיודות סיליקון קרביד הן החומר הבסיסי של דיודות אנרגיה סולארית והן עדיפות על טכנולוגיית דיודה דו-קוטבית רגילה במגוון אינדיקטורים טכניים. דיודות סיליקון קרביד נדלקות ונכבות במהירות רבה ואין להן זרם התאוששות הפוך בעת מיתוג באמצעות טכנולוגיית דיודה דו-קוטבית רגילה. לאחר ביטול אפקט זרם ההתאוששות ההפוך, דיודות סיליקון קרביד מפחיתות את צריכת האנרגיה ב-70% ויכולות לשמור על יעילות אנרגיה גבוהה על פני טווח טמפרטורות רחב, ובכך מגדילות את הגמישות של המתכננים לייעל את תדירות הפעולה של המערכת.



2. מטען רכב אנרגיה חדש.



לאחר שעברו בדיקות מוצר לרכב, מתח הפירוק של דיודות סיליקון קרביד הוגדל ל-650 וולט, מה שיכול לעמוד בדרישות של מעצבים ויצרני רכב להפחתת מקדם פיצוי המתח, ובכך להבטיח מרווח בטיחות מספיק בין המתח הנומינלי למתח השיא המיידי של רכיבי מוליכים למחצה נטענים המובנים. מוצר הדיודה בעל שני הצינורות ממקסם את ניצול החלל ומפחית את משקל מטען הרכב.

3. יתרונות של ספק כוח ממותג.

השימוש במתגי סיליקון קרביד מהיר מאוד, יכול לפעול בתדרים גבוהים, ובעל תכונות ללא התאוששות ועצמאות לטמפרטורה. באמצעות חבילות RP בעלות השראות נמוכה שלנו, ניתן להשתמש בדיודות אלו בכל מספר של מעגלי דיודה מיתוג מהיר או ממירים בתדר גבוה.



4. יתרונות תעשייתיים.



דיודות סיליקון קרביד: משמשות בעיקר בממירי הספק בתדר גבוה במנועים כבדים ובציוד תעשייתי, ומביאות את היתרונות של יעילות גבוהה, הספק גבוה ותדר גבוה.

מכשירי SiC

ראשית. סיווג של התקני SiC.



טרנזיסטור אפקט שדה של תחמוצת מתכת סיליקון קרביד.



טרנזיסטורי אפקט שדה מסיליקון קרביד הם המכשירים החשובים ביותר במחקר של התקני הספק אלקטרוניים מסיליקון קרביד. כיום, חומרי סיליקון מתקרבים לגבול הביצועים התיאורטי, והתקני הספק מסיליקון קרביד נחשבים ל"מכשירים אידיאליים" בשל מתח העמידה הגבוה שלהם, הפסדים נמוכים ויעילות גבוהה. עם זאת, בהשוואה להתקני סיליקון קודמים, האיזון בין ביצועים לעלות והצורך בטכנולוגיה מתקדמת יהיו המפתח לקידום פיתוח התקני הספק מסיליקון קרביד.



שנית, המבנה של סיליקון קרביד MOS.



אזור המקור N+ וטרנזיסטור אפקט שדה מוליך למחצה של תחמוצת מתכת מסוממים ב-N+ על ידי השתלת יונים ומחושלים ב-1700 מעלות צלזיוס. תהליך מפתח נוסף הוא היווצרות תחמוצת שער מוליך למחצה של סיליקון קרביד, המכונה תחמוצת מתכת סיליקון קרביד. מכיוון ששני אטומי סיליקון ופחמן נמצאים בסיליקון קרביד, נדרשת שיטה ספציפית מאוד לגידול הדיאלקטרי של השער. היתרונות של מבנה החריץ הם כדלקמן:



מבנה התעלה של טרנזיסטורי אפקט שדה מסיליקון קרביד יכול לתת משחק מלא למאפייני הסיליקון קרביד.



שלישית, היתרונות של סיליקון קרביד MOS.



באופן כללי, טרנזיסטורי IGBT מסיליקון יכולים לפעול רק בתדרים מתחת ל-20 קילו-הרץ. עקב מגבלות חומריות, לא ניתן לממש התקני סיליקון במתח גבוה ובתדר גבוה. טרנזיסטורי MOSFET מסיליקון קרביד מתאימים לא רק לטווח מתחים רחב מ-600 וולט עד 10 קילו-וולט, אלא גם בעלי ביצועי מיתוג מצוינים של התקנים חד-קוטביים. בהשוואה ל-IGBT מסיליקון, טרנזיסטורי אפקט שדה מסיליקון קרביד בעלי הפסדי מיתוג נמוכים יותר ותדרי פעולה גבוהים יותר כאשר אין זנב זרם במעגל המיתוג.



ההפסד של מודול MOSFET סיליקון קרביד 20kHz יכול להיות חצי מזה של מודול IGBT סיליקון 3kHz, ומודול סיליקון קרביד 50A יכול להחליף מודול סיליקון קרביד 150A. זה מראה את היתרונות העצומים של טרנזיסטורי אפקט שדה של תחמוצת מתכת סיליקון קרביד מבחינת תדר פעולה ויעילות.



זמן ההתאוששות ההפוכה trr של דיודת הגוף הטפילית ומטען ההתאוששות ההפוכה Qrr של MOSFET מסיליקון קרביד הם קטנים מאוד. כפי שמוצג באיור, המטען ההפוכה של הדיודה הטפילית של MOSFET מסיליקון קרביד הוא רק 5% מהמטען ההפוכה של MOSFET מבוסס סיליקון עם אותו מפרט מתח. עבור מעגלי גשר (במיוחד כאשר ממיר LLC פועל מעל תדר התהודה), מדד זה קריטי להפחתת הפסדים ורעש הנגרמים מזמן מת והתאוששות הפוכה של דיודת הגוף, ומסייע בשיפור תדר המיתוג.



רביעית, יישום צינורות סיליקון קרביד MOS!



למודולי MOSFET מסיליקון קרביד יתרונות גדולים ביישומים במערכות הספק בינוניות וגבוהות כגון ייצור חשמל פוטו-וולטאית, ייצור אנרגיית רוח, כלי רכב חשמליים ותחבורה ציבורית ברכבת. היתרונות של מתח גבוה, תדר גבוה ויעילות גבוהה של התקני סיליקון קרביד יכולים לפרוץ את מגבלות ביצועי המכשירים בעיצובים קיימים של כלי רכב חשמליים, שהם מוקד המחקר והפיתוח בתחום כלי הרכב החשמליים בארץ ובחו"ל. לדוגמה, יחידות בקרת הספק (PCU) ברכבים חשמליים היברידיים (HEV) וברכבים חשמליים טהורים (EV) שפותחו במשותף על ידי דנסו וטויוטה משתמשות במודולי MOSFET מסיליקון קרביד, ובכך מפחיתות את יחס הנפח ל-1/5. מערכת הנעת המנוע EV שפותחה על ידי מיצובישי משתמשת במודולי SiCMOSFET כדי לשלב את מודול הנעת הכוח במנוע, ובכך להשיג את יעדי האינטגרציה והמזעור. צפוי שמודולי MOSFET מסיליקון קרביד יהיו בשימוש נרחב ברכבים חשמליים בארץ ובחו"ל בשנים האחרונות.


חברת Wuxi Guojing Micro Semiconductor Technology Co., Ltd. היא חברה חדשנית בתחום ההייטק, המוקדשת למחקר, פיתוח ותיעוש של התקני כוח מסיליקון קרביד SiC, התקני אופטואלקטרוניקה מגליום ניטריד GaN ומעגלים משולבים קונבנציונליים. החברה עובדת על טרנזיסטורי אפקט שדה מסיליקון קרביד. היא מתכננת, מייצרת ומוכרת דיודות Schottky מסיליקון קרביד, ממסרי מצמדים אופטיים מ-GaN, מעגלים משולבים בעלי שבב יחיד ושבבי מוצרים אחרים, ומספקת שירותי תמיכה לתכנון פתרונות כוללים של מוצרים קשורים. המטה ממוקם באזור פיתוח ההייטק של וושי, מחוז ג'יאנגסו, ויש לה מרכזי מחקר ופיתוח, מרכזי תמיכה ושירות מכירות ומשרדים בשנג'ן ובהונג קונג.



התקני החשמל מסיליקון קרביד של החברה מכסים סדרות של 650V/2A-100A, 1200V/2A-90A, 1700V/5A-80A ועוד. המוצרים הוכנסו לייצור המוני, והם דומים לחלוטין לאיכות ולרמה המתקדמות של מותגים בינלאומיים. החברה השיקה מספר מוצרים בסדרות של דיודות Schottky מסיליקון קרביד בזרם מלא ובמתח מלא ומוצרי MOSFET מסיליקון קרביד, ועברו מבחני אמינות ברמה תעשייתית וברמה לרכב, וביצועיהם הגיעו לרמה מתקדמת בינלאומית. הם משמשים באספקת כוח ממירים סולאריים, כלי רכב חשמליים לאנרגיה חדשה וערימות טעינה, רשת חכמה, ריתוך בתדר גבוה, תחבורה רכבתית, ספקי כוח מיוחדים לבקרה תעשייתית, תעשיית הביטחון והצבא הלאומית ותחומים אחרים. בשל מאפייני המיתוג המהיר וההתנגדות הנמוכה שלהם, הם יכולים להציג מאפיינים חשמליים מצוינים גם בתנאי טמפרטורה גבוהה, להפחית משמעותית את הפסדי המיתוג, להפוך רכיבים קטנים יותר, קלים יותר ויעילים יותר, ולשפר את אמינות המערכת כולה, מה שיכול לשפר את אמינות המערכת. ניתן להפחית את טווח ההספק המרבי של כלי רכב חשמליים ב-10%, להפחית את משקל הרכב כולו בכ-5%, וניתן להשיג פעולה בטוחה ויציבה בסביבה בטמפרטורה גבוהה של ערימת הטעינה בה היא מיועדת לשימוש.



לרוב המהנדסים בצוות המחקר והפיתוח המרכזי של החברה יש תואר שני ומעלה, ורבים מהדוקטורנטים אחראים על פיתוח הפרויקט. החברה הקימה מערכת סטנדרטית לחדשנות מדעית וטכנולוגית וניהול קניין רוחני. היא צברה טכנולוגיות ליבה רבות בתכנון מעגלים, תכנון התקני ותהליכים של מוליכים למחצה, תכנון אמינות, חילוץ מודלים של התקנים וכו', ויש לה מספר פטנטים בינלאומיים ומקומיים על המצאות עצמאיות.

"הנשק החשוב ביותר של המדינה, החל מגיבוש, שיפור עצמי, הסתמכות עצמית והשגת הצלחה בת מאה שנה" היא המטרה המשותפת של גואוג'ינג מיקרו סמיקונדקטור. אנו מספקים מרחב פיתוח מצוין לעובדינו ומספקים מוצרים ושירותים באיכות גבוהה ללקוחותינו. אנו מצפים בכנות לעתיד בו כולם מרוויחים איתכם.

הצהרת אחריות: מאמר זה משוכפל מ"רשת" ותומך בהגנה על זכויות קניין רוחני. אם ישנה הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה.

מספר טלפון של החברה: 86-0755-83044319+
פקס/פקס: 86-0755-83975897+
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 מנהל לי

QQ: 332496225 מנהל Qiu

כתובת: חדר 809, בניין C, בניין הטכנולוגיה ז'אנטאו, שדרת מינגז'י מס' 1079, רובע לונגהואה החדש, שנזן