Niniejszy artykuł przedstawia przede wszystkim obszary zastosowań i historię rozwoju diod z węglika krzemu, a także szczegółowo wyjaśnia klasyfikację i strukturę rur MOS z węglika krzemu. Jedynym składnikiem krzemu i węgla jest węglik krzemu (SiC), powszechnie znany jako szmergiel. Węglik krzemu występuje w naturze jako minerał moissanit, ale jest bardzo rzadki. Jednakże sproszkowany węglik krzemu jest produkowany w dużych ilościach jako materiał ścierny od 1893 roku. Węglik krzemu jest stosowany jako materiał ścierny od ponad stu lat, głównie w tarczach szlifierskich i wielu innych zastosowaniach ściernych.



„SiC charakteryzuje się wysoką rezystancją aż do osiągnięcia napięcia progowego (VT). Po osiągnięciu napięcia progowego jego rezystancja znacznie spada, aż do momentu, gdy napięcie przyłożone spadnie poniżej VT. Najwcześniejsze zastosowania elektryczne SiC, które wykorzystywały tę właściwość, to odgromniki w systemach dystrybucji energii (pokazane na rysunku).


Ponieważ SiC posiada warystor, trzpień SiC można podłączyć między liniami wysokiego napięcia a uziemieniem. Jeśli linia energetyczna zostanie uderzona piorunem, napięcie zasilania wzrośnie i przekroczy napięcie progowe (VT) odgromnika SiC, kierując i dostarczając prąd piorunowy do ziemi (zamiast do linii energetycznej), nie powodując w ten sposób szkód. Jednak te odgromniki SiC przewodzą zbyt duży prąd przy normalnym napięciu roboczym linii energetycznej. Dlatego iskierniki muszą być połączone szeregowo. Gdy napięcie w linii energetycznej wzrośnie w wyniku uderzenia pioruna, iskiernik jonizuje i przewodzi prąd, skutecznie łącząc odgromnik SiC między linią energetyczną a uziemieniem. Później odpowiedni personel odkrył, że iskiernik używany przez odgromnik był zawodny. Z powodu uszkodzeń materiału, wnikania pyłu lub soli może się zdarzyć, że iskiernik nie wyzwoli łuku elektrycznego w razie potrzeby lub nie zgaśnie go po uderzeniu pioruna. Ograniczniki z węglika krzemu zostały pierwotnie zaprojektowane w celu wyeliminowania konieczności stosowania przerw iskrowych, ale ze względu na swoją niezawodność ograniczniki z węglika krzemu z przerwą iskrową zostały w większości zastąpione bezprzerwowymi warystorami z rdzeniem z tlenku cynku.

SiC w elektronice mocy

Istnieje wiele rodzajów urządzeń półprzewodnikowych produkowanych z węglika krzemu, w tym diody Schottky'ego (zwane również diodami barierowymi Schottky'ego lub SBD), tranzystory polowe typu J (JFET) oraz tranzystory polowe stosowane w układach przełączających dużej mocy. Niektóre firmy podjęły próby zastosowania gołych chipów z diodami Schottky'ego z węglika krzemu w modułach elektroniki mocy. W rzeczywistości podłoża krzemowe są szeroko stosowane w modułach mocy IGBT i układach korekcji współczynnika mocy.

Zalety i wady SiC

Jednym z powodów, dla których komponenty elektroniki mocy na bazie węglika krzemu są tak atrakcyjne, jest to, że przy danym napięciu blokowania ich gęstość domieszkowania jest prawie sto razy wyższa niż w przypadku układów krzemowych. W ten sposób można uzyskać wysokie napięcie blokowania przy niskiej rezystancji w stanie włączenia. Niska rezystancja w stanie włączenia jest istotna w zastosowaniach dużej mocy, ponieważ jej zmniejszenie powoduje generowanie mniejszej ilości ciepła, co zmniejsza obciążenie cieplne systemu i zwiększa jego ogólną sprawność.



Istnieją jednak pewne trudności w produkcji elementów elektronicznych na bazie węglika krzemu, a eliminacja defektów stała się najważniejszym problemem. Defekty te skutkują słabymi właściwościami bariery odwrotnej elementów wykonanych z kryształów SiC. Oprócz problemów z jakością kryształów, problemy z interfejsem między dwutlenkiem krzemu a SiC utrudniają również rozwój tranzystorów MOSFET mocy na bazie SiC oraz kryształów bipolarnych z izolowaną bramką. Na szczęście, zastosowanie technologii azotowania w produkcji może znacznie ograniczyć defekty powodujące te problemy.

Tarcza ścierna SiC

Węglik krzemu jest nadal stosowany jako materiał ścierny w wielu zastosowaniach przemysłowych. W przemyśle elektronicznym jest stosowany głównie jako powłoka polerująca do polerowania obu końców światłowodów przed spawaniem. Zapewnia to wysoki stopień gładkości złączy światłowodowych, co przekłada się na ich wydajną pracę. Węglik krzemu jest produkowany od ponad stu lat, ale dopiero niedawno znalazł zastosowanie w przemyśle energoelektronicznym. Ze względu na swoje szczególne właściwości fizyczne i elektryczne, jest on bardzo przydatny w zastosowaniach wymagających wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury.



Obecnie diody z węglika krzemu znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach.



1. Falownik solarny.



Diody z węglika krzemu są podstawowym materiałem diod solarnych i przewyższają technologię diod bipolarnych pod wieloma względami technicznymi. Diody z węglika krzemu włączają się i wyłączają bardzo szybko i nie generują prądu zwrotnego podczas przełączania w standardowej technologii diod bipolarnych. Po wyeliminowaniu efektu prądu zwrotnego, diody z węglika krzemu zmniejszają zużycie energii o 70% i utrzymują wysoką sprawność energetyczną w szerokim zakresie temperatur, zwiększając tym samym elastyczność projektantów w zakresie optymalizacji częstotliwości pracy systemu.



2. Nowa ładowarka pojazdów elektrycznych.



Po przejściu testów motoryzacyjnych, napięcie przebicia diod z węglika krzemu zostało zwiększone do 650 V, co pozwala spełnić wymagania projektantów i producentów samochodów dotyczące obniżenia współczynnika kompensacji napięcia, zapewniając tym samym wystarczający margines bezpieczeństwa między napięciem znamionowym a chwilowym napięciem szczytowym ładowalnych elementów półprzewodnikowych. Dioda dwururowa maksymalizuje wykorzystanie przestrzeni i zmniejsza wagę ładowarki samochodowej.

3. Zalety zasilacza impulsowego.

Zastosowanie przełączników z węglika krzemu pozwala na bardzo szybką pracę przy wysokich częstotliwościach, charakteryzuje się zerowym czasem powrotu i niezależnością od temperatury. Dzięki naszym obudowom RP o niskiej indukcyjności, diody te mogą być stosowane w dowolnej liczbie szybkich obwodów diod przełączających lub przetwornic wysokiej częstotliwości.



4. Zalety przemysłowe.



Diody z węglika krzemu: Stosowane głównie w przetwornikach mocy o wysokiej częstotliwości w silnikach o dużej wytrzymałości i urządzeniach przemysłowych. Charakteryzują się wysoką sprawnością, dużą mocą i wysoką częstotliwością.

Urządzenia SiC

Po pierwsze. Klasyfikacja urządzeń SiC.



Tranzystor polowy wykonany z półprzewodnika z węglika krzemu i tlenku metalu.



Tranzystory polowe z węglika krzemu są najbardziej interesującymi elementami w badaniach nad elektronicznymi urządzeniami mocy z węglika krzemu. Obecnie materiały krzemowe zbliżają się do teoretycznej granicy wydajności, a urządzenia mocy z węglika krzemu są uważane za „urządzenia idealne” ze względu na wysokie napięcie wytrzymywane, niskie straty i wysoką sprawność. Jednak w porównaniu z poprzednimi urządzeniami krzemowymi, równowaga między wydajnością a kosztami oraz potrzeba zaawansowanej technologii będą kluczem do rozwoju urządzeń mocy z węglika krzemu.



Po drugie, struktura węglika krzemu MOS.



Obszar źródła N+ i tranzystor polowy z półprzewodnika metalowo-tlenkowego są domieszkowane N+ metodą implantacji jonów i wygrzewane w temperaturze 1700°C. Kolejnym kluczowym procesem jest formowanie tlenku bramki z węglika krzemu i półprzewodnika metalowo-tlenkowego. Ponieważ w węgliku krzemu obecne są zarówno atomy krzemu, jak i węgla, wymagana jest bardzo specyficzna metoda wytwarzania dielektryka bramki. Zalety struktury rowkowej są następujące:



Struktura rowkowa tranzystorów polowych z węglika krzemu pozwala w pełni wykorzystać właściwości węglika krzemu.



Po trzecie, zalety węglika krzemu MOS.



Ogólnie rzecz biorąc, krzemowe tranzystory IGBT mogą pracować jedynie w zakresie częstotliwości poniżej 20 kHz. Ze względu na ograniczenia materiałowe, nie można produkować układów krzemowych o wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości. Tranzystory MOSFET z węglika krzemu nie tylko nadają się do szerokiego zakresu napięć od 600 V do 10 kV, ale również charakteryzują się doskonałą wydajnością przełączania charakterystyczną dla układów unipolarnych. W porównaniu z krzemowymi tranzystorami IGBT, tranzystory polowe z węglika krzemu charakteryzują się niższymi stratami przełączania i wyższymi częstotliwościami pracy, gdy w obwodzie przełączającym nie występuje ogon prądowy.



Straty w module MOSFET z węglika krzemu 20 kHz mogą być o połowę niższe niż w module IGBT z krzemu 3 kHz, a moduł z węglika krzemu 50 A może zastąpić moduł krzemowy 150 A. Pokazuje to ogromne zalety tranzystorów polowych z węglika krzemu i półprzewodnika metalowo-tlenkowego (MOSFET) pod względem częstotliwości pracy i sprawności.



Czas regeneracji diody pasożytniczej (trr) i ładunek Qrr tranzystora MOSFET z węglika krzemu są bardzo małe. Jak pokazano na rysunku, ładunek wsteczny diody pasożytniczej tranzystora MOSFET z węglika krzemu wynosi zaledwie 5% ładunku wstecznego tranzystora MOSFET na bazie krzemu o tej samej specyfikacji napięciowej. W układach mostkowych (zwłaszcza gdy przetwornica LLC pracuje powyżej częstotliwości rezonansowej), wskaźnik ten ma kluczowe znaczenie dla zmniejszenia strat i szumów spowodowanych czasem martwym i ładunek wsteczny diody pasożytniczej, a także pomaga poprawić częstotliwość przełączania.



Po czwarte, zastosowanie rur MOS z węglika krzemu!



Moduły MOSFET z węglika krzemu mają ogromne zalety w zastosowaniach w systemach średniej i dużej mocy, takich jak generacja energii fotowoltaicznej, generacja energii wiatrowej, pojazdy elektryczne i transport kolejowy. Zalety wysokiego napięcia, wysokiej częstotliwości i wysokiej sprawności urządzeń z węglika krzemu mogą przełamać ograniczenia wydajności urządzeń w istniejących projektach pojazdów elektrycznych, które są przedmiotem badań i rozwoju w dziedzinie pojazdów elektrycznych w kraju i za granicą. Na przykład, jednostki sterowania mocą (PCU) w hybrydowych pojazdach elektrycznych (HEV) i pojazdach elektrycznych (EV), opracowane wspólnie przez Denso i Toyotę, wykorzystują moduły MOSFET z węglika krzemu, zmniejszając tym samym stosunek objętości do 1/5. Układ napędowy silnika EV opracowany przez Mitsubishi wykorzystuje moduły SiCMOSFET do integracji modułu napędu mocy z silnikiem, osiągając w ten sposób cele integracji i miniaturyzacji. Oczekuje się, że moduły MOSFET z węglika krzemu będą szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych w kraju i za granicą w ostatnich latach.


Wuxi Guojing Micro Semiconductor Technology Co., Ltd. to innowacyjne, zaawansowane technologicznie przedsiębiorstwo zajmujące się badaniami, rozwojem i industrializacją urządzeń mocy z węglika krzemu SiC, urządzeń optoelektronicznych z azotku galu GaN oraz konwencjonalnych układów scalonych. Firma pracuje nad tranzystorami polowymi z węglika krzemu. Zajmuje się projektowaniem, produkcją i sprzedażą diod Schottky'ego z węglika krzemu, przekaźników transoptorowych GaN, jednoprocesorowych układów scalonych i innych układów scalonych, a także zapewnia usługi wsparcia w zakresie projektowania kompleksowych rozwiązań produktowych. Siedziba główna firmy znajduje się w strefie rozwoju zaawansowanych technologii Wuxi w prowincji Jiangsu, a centra badawczo-rozwojowe, centra obsługi sprzedaży i biura w Shenzhen i Hongkongu.



Oferowane przez firmę urządzenia zasilające z węglika krzemu obejmują modele o napięciu 650 V/2 A–100 A, 1200 V/2 A–90 A, 1700 V/5 A–80 A i inne. Produkty te zostały wprowadzone do masowej produkcji i w pełni dorównują jakością i poziomem międzynarodowym. Firma sukcesywnie wprowadza na rynek diody Schottky'ego z węglika krzemu o pełnym natężeniu prądu i napięcia oraz produkty MOSFET z węglika krzemu, które przeszły testy niezawodności klasy przemysłowej i motoryzacyjnej, a ich wydajność osiągnęła międzynarodowy poziom zaawansowania. Są one stosowane w zasilaczach falowników słonecznych, pojazdach elektrycznych zasilanych nowymi źródłami energii oraz stacjach ładowania, inteligentnych sieciach elektroenergetycznych, spawalnictwie wysokoczęstotliwościowym, transporcie kolejowym, specjalistycznych zasilaczach do sterowania przemysłowego, przemyśle obronnym i wojskowym oraz w innych dziedzinach. Dzięki dużej szybkości przełączania i niskiej rezystancji w stanie przewodzenia, układ ten charakteryzuje się doskonałymi parametrami elektrycznymi nawet w wysokich temperaturach, znacznie redukując straty przełączania, zmniejszając wagę i wydajność podzespołów oraz poprawiając niezawodność całego systemu. Maksymalny zakres mocy pojazdów elektrycznych można zmniejszyć o 10%, a masę całego pojazdu o około 5%, co pozwala na bezpieczną i stabilną pracę w środowisku o wysokiej temperaturze, w którym znajduje się stacja ładowania, do której jest przeznaczony.



Większość inżynierów w głównym zespole badawczo-rozwojowym firmy posiada tytuł magistra lub wyższy, a wielu z nich posiada tytuł doktora. Firma wdrożyła ujednolicony system innowacji naukowych i technologicznych oraz zarządzania własnością intelektualną. Zgromadziła wiele kluczowych technologii w zakresie projektowania układów scalonych, projektowania układów i procesów półprzewodnikowych, projektowania niezawodności, ekstrakcji modeli urządzeń itp., a także posiada liczne międzynarodowe i krajowe niezależne patenty na wynalazki.

„Najważniejsza broń kraju, począwszy od krystalizacji, samodoskonalenia, samowystarczalności i osiągnięcia stuletniego sukcesu” – to wspólny cel Guojing Micro Semiconductor. Zapewniamy naszym pracownikom doskonałą przestrzeń do rozwoju oraz dostarczamy naszym klientom wysokiej jakości produkty i usługi. Z niecierpliwością oczekujemy na wspólną, korzystną dla obu stron przyszłość.

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł został przedrukowany z serwisu „Network” i służy ochronie praw własności intelektualnej. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia artykułu.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen