Questo articolo introduce principalmente i campi di applicazione e la storia dello sviluppo dei diodi al carburo di silicio e spiega in dettaglio la classificazione e la struttura dei transistor MOS al carburo di silicio. L'unico componente di silicio e carbonio è il carburo di silicio (SiC), comunemente noto come smeriglio. Il carburo di silicio si trova in natura come minerale moissanite, ma è molto raro. Tuttavia, il carburo di silicio in polvere viene prodotto in grandi quantità come abrasivo dal 1893. Il carburo di silicio è utilizzato come abrasivo da oltre cento anni, principalmente nelle mole abrasive e in molte altre applicazioni abrasive.



Il SiC presenta un'elevata resistenza fino al raggiungimento della tensione di soglia (VT). Una volta raggiunta tale tensione, la sua resistenza diminuisce significativamente fino a quando la tensione applicata non scende al di sotto di VT. Le prime applicazioni elettriche del SiC che sfruttavano questa proprietà erano i parafulmini nei sistemi di distribuzione dell'energia (mostrati in figura).


Poiché il SiC è dotato di un varistore, il suo stelo può essere collegato tra le linee ad alta tensione e la terra. Se una linea elettrica viene colpita da un fulmine, la tensione di alimentazione aumenterà e supererà la tensione di soglia (VT) del limitatore di sovratensione in SiC, deviando e scaricando la corrente del fulmine a terra (anziché sulla linea elettrica), evitando così danni. Tuttavia, questi limitatori di sovratensione in SiC conducono una corrente eccessiva alla normale tensione di esercizio della linea elettrica. Pertanto, è necessario collegare gli spinterometri in serie. Quando la tensione sulla linea elettrica aumenta a causa di un fulmine, lo spintermetro si ionizza e conduce elettricità, collegando efficacemente il limitatore di sovratensione in SiC tra la linea elettrica e la terra. Successivamente, il personale competente ha scoperto che lo spintermetro utilizzato dal limitatore di sovratensione non era affidabile. A causa di difetti del materiale, infiltrazioni di polvere o sali, può accadere che lo spintermetro non inneschi l'arco quando necessario o non riesca a estinguerlo dopo un fulmine. I limitatori di sovratensione al carburo di silicio erano stati originariamente progettati per eliminare la dipendenza dagli spinterometri, ma grazie alla loro affidabilità, i limitatori di sovratensione al carburo di silicio con spinterometro sono stati in gran parte sostituiti dai varistori senza spinterometro con nucleo in ossido di zinco.

Il carburo di silicio nell'elettronica di potenza

Esistono molti tipi di dispositivi a semiconduttore realizzati in carburo di silicio, tra cui i diodi Schottky (chiamati anche diodi a barriera Schottky o SBD), i transistor a effetto di campo di tipo J (o JFET) e i transistor a effetto di campo utilizzati in applicazioni di commutazione ad alta potenza. Alcune aziende hanno iniziato a sperimentare l'applicazione di chip nudi di diodi Schottky in carburo di silicio ai moduli di elettronica di potenza. In effetti, i substrati di silicio sono ampiamente utilizzati nei moduli di potenza IGBT e nei circuiti di correzione del fattore di potenza.

Vantaggi e svantaggi del SiC

Uno dei motivi per cui i componenti elettronici di potenza a base di carburo di silicio sono così interessanti è che, a parità di tensione di blocco, la loro densità di drogaggio è quasi cento volte superiore a quella dei dispositivi a base di silicio. In questo modo, è possibile ottenere un'elevata tensione di blocco con una bassa resistenza di conduzione. Una bassa resistenza di conduzione è importante per le applicazioni ad alta potenza perché, riducendola, si genera meno calore, diminuendo il carico termico sul sistema e aumentando l'efficienza complessiva.



Tuttavia, la produzione di componenti elettronici a base di carburo di silicio presenta alcune difficoltà, e l'eliminazione dei difetti è diventata la questione più importante. Questi difetti compromettono le proprietà di barriera inversa dei componenti realizzati con cristalli di SiC. Oltre ai problemi di qualità del cristallo, anche le problematiche di interfaccia tra biossido di silicio e SiC ostacolano lo sviluppo di MOSFET di potenza e cristalli bipolari a gate isolato a base di SiC. Fortunatamente, l'utilizzo della tecnologia di nitrurazione nella produzione può ridurre significativamente i difetti che causano questi problemi di interfaccia.

Disco abrasivo in SiC

Il carburo di silicio è tuttora utilizzato come abrasivo in numerose applicazioni industriali. Nell'industria elettronica, viene impiegato principalmente come pellicola lucidante per levigare entrambe le estremità delle fibre ottiche prima della giunzione. Questo conferisce ai connettori in fibra ottica un'elevata levigatezza, garantendo un funzionamento efficiente. Il carburo di silicio viene prodotto da oltre cento anni, ma solo recentemente ha trovato impiego nell'industria dell'elettronica di potenza. Grazie alle sue particolari proprietà fisiche ed elettriche, risulta particolarmente utile in applicazioni ad alta pressione e alta temperatura.



Oggi i diodi al carburo di silicio trovano impiego in diversi settori.



1. Inverter solare.



I diodi al carburo di silicio sono il materiale di base dei diodi per l'energia solare e superano la tecnologia dei diodi bipolari tradizionali in diversi indicatori tecnici. I diodi al carburo di silicio si accendono e si spengono molto rapidamente e non presentano corrente di recupero inversa quando commutano con la tecnologia dei diodi bipolari standard. Eliminando l'effetto della corrente di recupero inversa, i diodi al carburo di silicio riducono il consumo energetico del 70% e mantengono un'elevata efficienza energetica in un ampio intervallo di temperature, aumentando così la flessibilità dei progettisti nell'ottimizzazione della frequenza operativa del sistema.



2. Caricabatterie per veicoli a energia nuova.



Dopo aver superato i test sui prodotti per il settore automobilistico, la tensione di rottura dei diodi al carburo di silicio è stata aumentata a 650 volt, soddisfacendo così i requisiti di progettisti e produttori automobilistici per ridurre il coefficiente di compensazione della tensione e garantendo un margine di sicurezza sufficiente tra la tensione nominale e la tensione di picco istantanea dei componenti semiconduttori ricaricabili a bordo. Il prodotto a doppio diodo ottimizza l'utilizzo dello spazio e riduce il peso del caricabatterie per auto.

3. Vantaggi degli alimentatori switching.

L'utilizzo di interruttori al carburo di silicio consente una commutazione molto rapida, il funzionamento ad alte frequenze e presenta proprietà di recupero nullo e indipendenza dalla temperatura. Grazie ai nostri contenitori RP a bassa induttanza, questi diodi possono essere utilizzati in numerosi circuiti a commutazione rapida o convertitori ad alta frequenza.



4. Vantaggi industriali.



Diodi al carburo di silicio: utilizzati principalmente nei convertitori di potenza ad alta frequenza in motori per impieghi gravosi e apparecchiature industriali, offrono i vantaggi di elevata efficienza, alta potenza e alta frequenza.

Dispositivi SiC

Innanzitutto, classificazione dei dispositivi SiC.



Transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo e carburo di silicio.



I transistor a effetto di campo al carburo di silicio sono i dispositivi di maggiore interesse nella ricerca sui dispositivi di potenza al carburo di silicio. Oggi, i materiali al silicio si stanno avvicinando al limite teorico delle prestazioni e i dispositivi di potenza al carburo di silicio sono considerati "dispositivi ideali" grazie alla loro elevata tensione di tenuta, alle basse perdite e all'alta efficienza. Tuttavia, rispetto ai precedenti dispositivi al silicio, l'equilibrio tra prestazioni e costi, unito alla necessità di tecnologie avanzate, sarà fondamentale per promuovere lo sviluppo dei dispositivi di potenza al carburo di silicio.



In secondo luogo, la struttura del MOS al carburo di silicio.



La regione sorgente N+ e il transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore vengono drogati con N+ mediante impiantazione ionica e ricotti a 1700 °C. Un altro processo chiave è la formazione dell'ossido di gate metallo-ossido-semiconduttore in carburo di silicio. Poiché nel carburo di silicio sono presenti sia atomi di silicio che di carbonio, è necessario un metodo molto specifico per la crescita del dielettrico di gate. I vantaggi della struttura a scanalature sono i seguenti:



La struttura a trincea dei transistor a effetto di campo in carburo di silicio consente di sfruttare appieno le caratteristiche del carburo di silicio.



In terzo luogo, i vantaggi dei transistor MOS al carburo di silicio.



In generale, gli IGBT al silicio possono operare solo a frequenze inferiori a 20 kHz. A causa delle limitazioni del materiale, non è possibile realizzare dispositivi al silicio ad alta tensione e alta frequenza. I MOSFET al carburo di silicio non solo sono adatti a un ampio intervallo di tensione da 600 V a 10 kV, ma presentano anche le eccellenti prestazioni di commutazione dei dispositivi unipolari. Rispetto agli IGBT al silicio, i transistor a effetto di campo al carburo di silicio hanno perdite di commutazione inferiori e frequenze operative più elevate in assenza di corrente di coda nel circuito di commutazione.



La perdita di un modulo MOSFET al carburo di silicio da 20 kHz può essere la metà di quella di un modulo IGBT al silicio da 3 kHz, e un modulo al carburo di silicio da 50 A può sostituire un modulo al silicio da 150 A. Ciò dimostra gli enormi vantaggi dei transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo al carburo di silicio in termini di frequenza operativa ed efficienza.



Il tempo di recupero inverso trr e la carica di recupero inverso Qrr del diodo parassita di un MOSFET al carburo di silicio sono molto piccoli. Come mostrato in figura, la carica inversa del diodo parassita di un MOSFET al carburo di silicio è solo il 5% della carica inversa di un MOSFET al silicio con le stesse specifiche di tensione. Per i circuiti a ponte (soprattutto quando il convertitore LLC opera al di sopra della frequenza di risonanza), questo indicatore è fondamentale per ridurre le perdite e il rumore causati dal tempo morto e dal recupero inverso del diodo di corpo, e contribuisce a migliorare la frequenza di commutazione.



In quarto luogo, l'applicazione dei tubi MOS in carburo di silicio!



I moduli MOSFET al carburo di silicio offrono grandi vantaggi nelle applicazioni in sistemi di media e alta potenza come la generazione di energia fotovoltaica, la generazione di energia eolica, i veicoli elettrici e il trasporto ferroviario. I vantaggi di alta tensione, alta frequenza ed alta efficienza dei dispositivi al carburo di silicio possono superare i limiti prestazionali dei dispositivi nei progetti di veicoli elettrici esistenti, il che rappresenta il fulcro della ricerca e dello sviluppo nel settore dei veicoli elettrici sia a livello nazionale che internazionale. Ad esempio, le centraline di controllo della potenza (PCU) nei veicoli ibridi (HEV) e nei veicoli elettrici puri (EV) sviluppati congiuntamente da Denso e Toyota utilizzano moduli MOSFET al carburo di silicio, riducendo così il rapporto di volume a 1/5. Il sistema di azionamento del motore per veicoli elettrici sviluppato da Mitsubishi utilizza moduli SiCMOSFET per integrare il modulo di azionamento della potenza nel motore, raggiungendo così gli obiettivi di integrazione e miniaturizzazione. Si prevede che i moduli MOSFET al carburo di silicio saranno ampiamente utilizzati nei veicoli elettrici sia a livello nazionale che internazionale nei prossimi anni.


Wuxi Guojing Micro Semiconductor Technology Co., Ltd. è un'azienda innovativa ad alta tecnologia dedicata alla ricerca, allo sviluppo e all'industrializzazione di dispositivi di potenza al carburo di silicio (SiC), dispositivi optoelettronici al nitruro di gallio (GaN) e circuiti integrati convenzionali. L'azienda opera nel settore dei transistor a effetto di campo al carburo di silicio. Si occupa della progettazione, produzione e vendita di diodi Schottky al carburo di silicio, relè optoaccoppiatori GaN, circuiti integrati mono-chip e altri chip, e fornisce servizi di supporto per la progettazione di soluzioni complete di prodotto. La sede centrale si trova nella zona di sviluppo ad alta tecnologia di Wuxi, nella provincia di Jiangsu, e l'azienda dispone di centri di ricerca e sviluppo, centri di assistenza e vendita e uffici a Shenzhen e Hong Kong.



I dispositivi di potenza al carburo di silicio dell'azienda coprono le serie 650V/2A-100A, 1200V/2A-90A, 1700V/5A-80A e altre. I prodotti sono stati avviati alla produzione di massa e sono pienamente paragonabili per qualità e livello ai marchi internazionali più avanzati. L'azienda ha lanciato con successo diodi Schottky al carburo di silicio a piena corrente e piena tensione e serie di MOSFET al carburo di silicio, che hanno superato test di affidabilità di livello industriale e automobilistico, raggiungendo prestazioni di livello avanzato a livello internazionale. Questi dispositivi trovano impiego in alimentatori per inverter solari, veicoli elettrici a energia pulita e stazioni di ricarica, reti intelligenti, saldatura ad alta frequenza, trasporto ferroviario, alimentatori speciali per il controllo industriale, difesa nazionale e industria militare e altri settori. Grazie alle caratteristiche di commutazione ad alta velocità e bassa resistenza di conduzione, i dispositivi possono mostrare eccellenti caratteristiche elettriche anche in condizioni di alta temperatura, riducendo notevolmente le perdite di commutazione, consentendo la realizzazione di componenti più piccoli, leggeri ed efficienti e migliorando l'affidabilità dell'intero sistema. La potenza massima erogabile dai veicoli elettrici può essere ridotta del 10%, il peso complessivo del veicolo può essere ridotto di circa il 5% e si può garantire un funzionamento sicuro e stabile nell'ambiente ad alta temperatura della colonnina di ricarica, dove è progettato per essere utilizzato.



La maggior parte degli ingegneri del team di ricerca e sviluppo principale dell'azienda possiede una laurea magistrale o superiore, e molti dottori di ricerca sono responsabili dello sviluppo dei progetti. L'azienda ha istituito un sistema standardizzato per l'innovazione scientifica e tecnologica e per la gestione della proprietà intellettuale. Ha accumulato numerose tecnologie chiave nella progettazione di circuiti, nella progettazione di dispositivi e processi a semiconduttore, nella progettazione dell'affidabilità, nell'estrazione di modelli di dispositivi, ecc., e detiene diversi brevetti di invenzione indipendenti, sia nazionali che internazionali.

"L'arma più importante del Paese, a partire dalla cristallizzazione, dall'auto-miglioramento, dall'autosufficienza e dal raggiungimento di un successo secolare" è l'obiettivo comune di Guojing Micro Semiconductor. Offriamo ai nostri dipendenti un eccellente ambiente di sviluppo e forniamo ai nostri clienti prodotti e servizi di alta qualità. Ci auguriamo sinceramente di costruire un futuro di successo reciproco con voi.

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