В данной статье в основном рассматриваются области применения и история развития диодов на основе карбида кремния, а также подробно объясняется классификация и структура МОП-транзисторов на основе карбида кремния. Единственным компонентом, состоящим из кремния и углерода, является карбид кремния (SiC), обычно известный как наждак. Карбид кремния встречается в природе в виде минерала муассанита, но встречается очень редко. Однако порошкообразный карбид кремния производится в больших количествах в качестве абразива с 1893 года. Карбид кремния используется в качестве абразива более ста лет, в основном в шлифовальных кругах и многих других абразивных изделиях.



«SiC обладает высоким сопротивлением до достижения порогового напряжения (VT). После достижения порогового напряжения его сопротивление значительно уменьшается, пока приложенное напряжение не упадет ниже VT. Самыми ранними электрическими применениями SiC, которые использовали это свойство, были грозозащитные устройства в системах распределения электроэнергии (показано на рисунке).»


Поскольку SiC имеет варистор, его стержень может быть подключен между высоковольтными линиями и землей. Если в линию электропередачи ударит молния, напряжение питания повысится и превысит пороговое напряжение (ПН) SiC-разрядника, направляя и отводя ток молнии в землю (вместо линии электропередачи), тем самым не причиняя вреда. Но эти SiC-разрядники проводят слишком большой ток при нормальном рабочем напряжении линии электропередачи. Поэтому искровые разрядники должны быть соединены последовательно. Когда напряжение в линии электропередачи повышается из-за удара молнии, искровой разрядник ионизируется и проводит электричество, эффективно соединяя SiC-разрядник между линией электропередачи и землей. Позже соответствующие специалисты обнаружили, что используемый в разряднике искровой разрядник ненадежен. Из-за износа материала, попадания пыли или соли может случиться так, что искровой разрядник не запустит дугу, когда это необходимо, или не погасит дугу после удара молнии. Первоначально кремнийкарбидные разрядники были разработаны для устранения зависимости от искровых зазоров, но благодаря своей надежности кремнийкарбидные разрядники с зазорами в основном были заменены варисторами с сердечником из оксида цинка без зазоров.

SiC в силовой электронике

Существует множество типов полупроводниковых приборов, изготавливаемых из карбида кремния, включая диоды Шоттки (также называемые диодами с барьером Шоттки или SBD), полевые транзисторы J-типа (или JFET) и полевые транзисторы, используемые в мощных коммутационных устройствах. Некоторые компании начали попытки применения микросхем диодов Шоттки из карбида кремния в силовых электронных модулях. Фактически, кремниевые подложки широко используются в силовых модулях на основе IGBT и схемах коррекции коэффициента мощности.

Преимущества и недостатки SiC

Одна из причин привлекательности силовых электронных компонентов на основе карбида кремния заключается в том, что при заданном напряжении блокировки их плотность легирования почти в сто раз выше, чем у устройств на основе кремния. Таким образом, можно получить высокое напряжение блокировки с низким сопротивлением в открытом состоянии. Низкое сопротивление в открытом состоянии важно для мощных приложений, поскольку при снижении сопротивления в открытом состоянии выделяется меньше тепла, что уменьшает тепловую нагрузку на систему и повышает общую эффективность.



Однако производство электронных компонентов на основе карбида кремния сопряжено с некоторыми трудностями, и устранение дефектов стало важнейшей проблемой. Эти дефекты приводят к ухудшению свойств обратного барьера компонентов, изготовленных из кристаллов SiC. Помимо проблем с качеством кристаллов, проблемы на границе раздела между диоксидом кремния и SiC также препятствуют развитию силовых MOSFET-транзисторов на основе SiC и биполярных кристаллов с изолированным затвором. К счастью, использование технологии азотирования в производстве может значительно уменьшить количество дефектов, вызывающих эти проблемы на границе раздела.

Абразивный диск из карбида кремния

Карбид кремния до сих пор используется в качестве абразива во многих промышленных областях. В основном он применяется в электронной промышленности в качестве полирующей пленки для полировки обоих концов оптических волокон перед сваркой. Это позволяет добиться высокой степени гладкости волоконно-оптических разъемов для эффективной работы. Карбид кремния производится уже более ста лет, но в силовой электронике его начали использовать лишь недавно. Благодаря своим особым физическим и электрическим свойствам он очень полезен в условиях высокого давления и высоких температур.



Сегодня диоды на основе карбида кремния используются в самых разных областях.



1. Солнечный инвертор.



Диоды из карбида кремния являются основным материалом для солнечных энергетических диодов и превосходят обычную биполярную диодную технологию по ряду технических показателей. Диоды из карбида кремния очень быстро включаются и выключаются и не имеют обратного тока восстановления при переключении по сравнению с обычными биполярными диодами. После устранения эффекта обратного тока восстановления диоды из карбида кремния снижают энергопотребление на 70% и могут поддерживать высокую энергоэффективность в широком диапазоне температур, что повышает гибкость разработчиков в оптимизации рабочей частоты системы.



2. Зарядное устройство для электромобилей.



После прохождения испытаний в автомобильной промышленности напряжение пробоя диодов из карбида кремния было увеличено до 650 вольт, что соответствует требованиям разработчиков и автопроизводителей по снижению коэффициента компенсации напряжения, обеспечивая тем самым достаточный запас прочности между номинальным напряжением и мгновенным пиковым напряжением бортовых перезаряжаемых полупроводниковых компонентов. Двухтрубный диодный элемент максимально эффективно использует пространство и снижает вес автомобильного зарядного устройства.

3. Преимущества импульсных источников питания.

Использование переключателей на основе карбида кремния позволяет добиться очень высокой скорости переключения, работы на высоких частотах, а также нулевого восстановления и независимости от температуры. Благодаря нашим корпусам RP с низкой индуктивностью, эти диоды могут применяться в самых разных схемах с быстродействующими диодами или высокочастотных преобразователях.



4. Промышленные преимущества.



Диоды из карбида кремния: в основном используются в высокочастотных преобразователях мощности в мощных двигателях и промышленном оборудовании, обеспечивая преимущества высокой эффективности, высокой мощности и высокой частоты.

SiC устройства

Во-первых. Классификация устройств на основе карбида кремния (SiC).



Полевой транзистор на основе карбида кремния и оксида металла.



Полевые транзисторы на основе карбида кремния являются наиболее востребованными устройствами в исследованиях силовой электроники на основе карбида кремния. В настоящее время кремниевые материалы приближаются к теоретическому пределу производительности, и силовые устройства на основе карбида кремния считаются «идеальными устройствами» благодаря высокому выдерживаемому напряжению, низким потерям и высокой эффективности. Однако по сравнению с предыдущими кремниевыми устройствами, баланс между производительностью и стоимостью, а также необходимость высоких технологий станут ключевым фактором развития силовых устройств на основе карбида кремния.



Во-вторых, структура МОП-структуры из карбида кремния.



Область истока N+ и полевой транзистор на основе оксида металла легируются N+ путем ионной имплантации и отжигаются при 1700 °C. Другой ключевой процесс — формирование затворного оксида из карбида кремния. Поскольку в карбиде кремния присутствуют как атомы кремния, так и углерода, требуется очень специфический метод выращивания затворного диэлектрика. Преимущества канавочной структуры заключаются в следующем:



Канавная структура полевых транзисторов на основе карбида кремния позволяет в полной мере использовать характеристики карбида кремния.



В-третьих, преимущества МОП-транзисторов на основе карбида кремния.



В целом, кремниевые IGBT-транзисторы могут работать только на частотах ниже 20 кГц. Из-за ограничений, связанных с материалами, создание высоковольтных и высокочастотных кремниевых устройств невозможно. MOSFET-транзисторы на основе карбида кремния не только подходят для широкого диапазона напряжений от 600 В до 10 кВ, но и обладают превосходными коммутационными характеристиками униполярных устройств. По сравнению с кремниевыми IGBT-транзисторами, полевые транзисторы на основе карбида кремния имеют меньшие потери при переключении и более высокие рабочие частоты при отсутствии токового следа в коммутирующей цепи.



Потери в модуле MOSFET на основе карбида кремния с частотой 20 кГц могут быть вдвое меньше, чем в модуле IGBT на основе кремния с частотой 3 кГц, а модуль на основе карбида кремния с током 50 А может заменить модуль на основе кремния с током 150 А. Это демонстрирует огромные преимущества полевых транзисторов на основе металлооксидного полупроводника (MdS) из карбида кремния с точки зрения рабочей частоты и эффективности.



Паразитное время обратного восстановления диода в корпусе полевого транзистора на основе карбида кремния (mTr) и заряд обратного восстановления Qrr очень малы. Как показано на рисунке, обратный заряд паразитного диода полевого транзистора на основе карбида кремния составляет всего 5% от обратного заряда полевого транзистора на основе кремния с теми же характеристиками напряжения. Для мостовых схем (особенно когда LLC-преобразователь работает выше резонансной частоты) этот показатель имеет решающее значение для снижения потерь и шума, вызванных мертвым временем и обратным восстановлением диода в корпусе, и помогает повысить частоту переключения.



В-четвертых, применение МОП-транзисторов на основе карбида кремния!



Модули на основе МОП-транзисторов из карбида кремния обладают значительными преимуществами в применении в системах средней и высокой мощности, таких как фотоэлектрические электростанции, ветроэнергетика, электромобили и железнодорожный транспорт. Преимущества высокого напряжения, высокой частоты и высокой эффективности устройств на основе карбида кремния позволяют преодолеть ограничения производительности существующих конструкций электромобилей, что является предметом исследований и разработок в области электромобилей как в стране, так и за рубежом. Например, в блоках управления питанием (PCU) гибридных электромобилей (HEV) и электромобилей (EV), совместно разработанных Denso и Toyota, используются модули на основе МОП-транзисторов из карбида кремния, что позволяет уменьшить их объем в 5 раз. В системе управления двигателем электромобиля, разработанной Mitsubishi, используются модули SiCMOSFET для интеграции модуля управления питанием в двигатель, что позволяет достичь целей интеграции и миниатюризации. Ожидается, что в последние годы модули на основе МОП-транзисторов из карбида кремния будут широко использоваться в электромобилях как в стране, так и за рубежом.


Компания Wuxi Guojing Micro Semiconductor Technology Co., Ltd. — это высокотехнологичное инновационное предприятие, занимающееся исследованиями, разработкой и внедрением в производство силовых приборов на основе карбида кремния (SiC), оптоэлектронных приборов на основе нитрида галлия (GaN) и традиционных интегральных схем. Компания специализируется на полевых транзисторах на основе карбида кремния, проектировании, производстве и продаже диодов Шоттки на основе карбида кремния, оптоэлектронных реле на основе нитрида галлия, однокристальных интегральных схем и других микросхем, а также предоставляет услуги по комплексному проектированию соответствующих решений. Головной офис расположен в высокотехнологичной зоне развития города Уси, провинция Цзянсу, а также имеются научно-исследовательские центры, центры продаж и сервисного обслуживания, а также представительства в Шэньчжэне и Гонконге.



Силовые устройства на основе карбида кремния компании охватывают серии 650 В/2 А-100 А, 1200 В/2 А-90 А, 1700 В/5 А-80 А и другие. Продукция запущена в серийное производство и полностью сопоставима по качеству и уровню с продвинутыми международными брендами. Компания последовательно выпустила серии диодов Шоттки и MOSFET на основе карбида кремния с полным током и напряжением, прошедшие испытания на надежность промышленного и автомобильного класса, и их характеристики достигли международного передового уровня. Они используются в источниках питания солнечных инверторов, электромобилях на новых источниках энергии и зарядных станциях, интеллектуальных сетях, высокочастотной сварке, железнодорожном транспорте, специальных источниках питания для промышленного управления, оборонной и военной промышленности и других областях. Благодаря высокой скорости переключения и низкому сопротивлению в открытом состоянии, они демонстрируют превосходные электрические характеристики даже в условиях высоких температур, значительно снижая потери при переключении, делая компоненты меньше, легче и эффективнее, а также повышая надежность всей системы. Максимальный запас хода электромобилей может быть уменьшен на 10%, вес всего транспортного средства — примерно на 5%, а также может быть обеспечена безопасная и стабильная работа в условиях высоких температур зарядной станции, для которой они предназначены.



Большинство инженеров в основной команде НИОКР компании имеют степень магистра или выше, а многие кандидаты наук отвечают за разработку проектов. Компания создала стандартизированную систему научно-технических инноваций и управления интеллектуальной собственностью. Она накопила множество ключевых технологий в области проектирования схем, проектирования полупроводниковых приборов и технологических процессов, проектирования надежности, извлечения моделей устройств и т. д., и имеет множество международных и отечественных патентов на собственные изобретения.

«Важнейшее оружие страны, начиная с кристаллизации, самосовершенствования, самодостаточности и достижения столетнего успеха» — такова общая цель компании Guojing Micro Semiconductor. Мы предоставляем нашим сотрудникам отличные возможности для развития, а нашим клиентам — высококачественную продукцию и услуги. Мы искренне надеемся на взаимовыгодное сотрудничество с вами.

Предупреждение: Данная статья воспроизведена из «Сети» и направлена ​​на защиту прав интеллектуальной собственности. В случае обнаружения каких-либо нарушений, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.