Debe conocer la teoría del barril: la cantidad de agua que puede contener un balde depende del trozo de madera más corto. Para aquellos que investigan, solo un punto es bueno; para las aplicaciones, siempre se debe considerar el rendimiento general y encontrar el más adecuado para el mercado. Varias propiedades de carburo de silicio son convenientes para satisfacer diferentes demandas. Para obtener información más específica sobre las propiedades del carburo de silicio, consulte1.11 PROPIEDADES DEL MATERIAL DE CARBURO DE SILICIOen Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN).

Según la banda prohibida,materiales semiconductoresse dividen en semiconductores de primera generación, semiconductores de segunda generación y semiconductores de tercera generación. El material incluye banda prohibida, tipo banda prohibida, intensidad de campo de ruptura, movilidad de electrones, movilidad de huecos, velocidad de deriva de electrones saturados, conductividad térmica, constante dieléctrica, dureza y otras propiedades.

Sin embargo, lo que necesita el mercado no son las propiedades. El mercado realmente necesita los dispositivos con el rendimiento de frecuencia más alto, como el inversor, en lugar del rendimiento de los materiales semiconductores. Pero las propiedades del carburo de silicio son la base para realizar el rendimiento de los dispositivos de circuitos electrónicos. Puede combinar la relación entre demanda y rendimiento para obtener el material final necesario. Vale la pena señalar que las propiedades de la oblea de carburo de silicio pueden afectar el rendimiento de múltiples dispositivos; de manera similar, la realización del desempeño de un dispositivo también requiere la satisfacción del desempeño de múltiples materiales.

Por ejemplo, si la estructura de la banda de energía es una banda prohibida directa, la probabilidad de que los electrones pasen de un nivel de energía alto a un nivel de energía bajo para emitir luz es mayor, en lugar de convertirse en calor, que es más adecuado para LED o láseres como material de trabajo. Con alta conductividad térmica, lo que significa la misma generación de calor, el material puede conducir rápidamente el calor al entorno circundante.

Para introducir específicamente las propiedades del carburo de silicio, partimos del análisis de los requisitos del dispositivo. Existe un modelo simple para describir los requisitos: más dispositivos, alta eficiencia, buena tecnología y ahorro de costos.

1. Más dispositivos: los dispositivos deben ser lo suficientemente pequeños para que haya suficientes dispositivos;
2. Alta eficiencia: la tecnología se puede realizar a tiempo;
3. Buena tecnología: la tecnología puede satisfacer las demandas del mercado y hay suficientes submercados. Las demandas específicas de este punto son como los cuatro requisitos principales del cargador: tamaño pequeño, carga rápida, baja pérdida y seguridad;
4. Ahorro de costos: el costo es lo suficientemente bajo, por lo que las ganancias pueden respaldar el desarrollo continuo de la empresa.

1. Los MOSFET de SiC reemplazan a los IGBT de Si según el análisis de las propiedades del carburo de silicio

¿Por qué utilizar MOSFET de SiC para reemplazar los IGBT de Si para dispositivos? Las razones se explicarán a través de las propiedades del carburo de silicio en el modelo simple de la siguiente manera.

1.1 Buena tecnología

En el caso de los convertidores de potencia, se deben cumplir los requisitos de frecuencia y de voltaje soportado, y el estándar que se debe cumplir es la pérdida. El dispositivo semiconductor funciona en el estado de conmutación, es decir, está encendido o apagado. Las formas de onda de voltaje y corriente ideales se muestran en la figura de la izquierda a continuación. La corriente fluye en el estado encendido, la caída de voltaje es 0 y la corriente en el estado apagado es cero.

Pero, de hecho, hay cuatro tipos de pérdidas como se muestra a continuación:

* Hay corriente de fuga IL cuando se apaga, lo que también produce pérdida de estado apagado;

* En el proceso de encendido y apagado, el voltaje y la corriente necesitan una cierta cantidad de tiempo para cambiar, que es el tiempo de conmutación. El voltaje y la corriente se superponen durante el proceso de conmutación, lo que resulta en pérdidas de conmutación.

* Cuando el circuito está encendido, el voltaje no es cero y hay una cierta caída de voltaje de saturación VF. En este momento, de acuerdo con la fórmula de potencia W = Uit, hay una pérdida de estado activo;

* La misma pérdida de conmutación se corta en este momento, correspondiente a la pérdida de corte.

Pérdida = pérdida estática + pérdida de conmutación. Pérdida estática = pérdida en estado activado + pérdida en estado desactivado; pérdida de conmutación / pérdida dinámica = pérdida de conducción + pérdida de corte.

Generalmente, la pérdida fuera del estado es extremadamente pequeña, por lo que no es necesario considerarla. Debido a que el modo de uso es fijo, el rendimiento del dispositivo que determina la pérdida de estado activado es la caída de voltaje de saturación y las propiedades eléctricas del carburo de silicio en los dispositivos que determinan la pérdida de conmutación es el tiempo de conmutación.

Como se muestra en la figura siguiente, a medida que aumenta la frecuencia de conmutación, el tiempo de encendido y apagado debe ser más corto, y la proporción de la pérdida de estado encendido en la pérdida total también disminuye constantemente; la pérdida de conmutación: el número de tiempos de conmutación aumenta, lo que hace que el tiempo de conmutación total aumente. Es la movilidad de los electrones la que determina el rendimiento operativo de alta frecuencia en condiciones de bajo voltaje, y la tasa de deriva de saturación determina el rendimiento operativo de alta frecuencia en condiciones de alto voltaje.

Cuando los MOSFET de Si llegan al mercado, satisfacen directamente la demanda del mercado de baja frecuencia y bajo voltaje. Sin embargo, hay un problema en Si MOSFET: si se va a mejorar la capacidad de soportar voltaje, el chip debe ser más grueso en consecuencia, lo que resulta en una alta pérdida de estado. Es decir, el voltaje soportado se duplica y la resistencia de encendido será de 5 a 6 veces mayor que la original. Por lo tanto, la pérdida de estado activado del MOSFET de Si de alto voltaje es muy grande, lo que restringe la aplicación del MOSFET en ocasiones de alto voltaje. Es la razón por la que se propone la estructura Si IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) para mejorar la resistencia al voltaje de Si MOSFET.

En comparación con MOSFET, IGBT tiene una capa adicional de capa dopada con P, que se transforma en un dispositivo bipolar. Su efecto de modulación de conductancia puede reducir significativamente la resistencia, por lo que el IGBT de alto voltaje aún puede mantener una caída de voltaje en estado de encendido relativamente baja, reduciendo así la pérdida de estado de encendido significativamente. Sin embargo, el efecto de modulación de la conductancia tiene lados positivos y negativos. Cuando se apagan, los portadores minoritarios deben recombinarse de forma natural y no hay un campo eléctrico externo en este proceso, lo que conduce a la existencia de colas de corriente. La pérdida de conmutación es muy grande, lo que restringe las aplicaciones del IGBT en aplicaciones de alta frecuencia. Generalmente, la frecuencia de operación solo puede estar al nivel de unos pocos kHz.

La introducción del cristal con propiedades de carburo de silicio ha mejorado la resistencia al voltaje de los MOSFEET desde otra dirección. Dado que el campo de ruptura de SiC es fuerte, el chip será muy delgado bajo el alto voltaje soportado. La intensidad del campo de ruptura está relacionada con el ancho de la banda prohibida. En general, los semiconductores de banda ancha ancha son más resistentes que el Si. Y esta delgadez también reduce la resistencia de encendido, superando así el defecto de las grandes pérdidas de conmutación del IGBT.

Por lo tanto, las propiedades del carburo de silicio pueden ayudar a los dispositivos a lograr una mayor concentración de dopaje y dispositivos más delgados, obteniendo una resistencia de encendido relativamente baja en condiciones de alto voltaje soportado.

1.2 Más dispositivos

La ventaja de la oblea de SiC no es solo la reducción de las pérdidas de conducción. Para los interruptores de encendido, debemos centrarnos en el calor y la disipación de calor. Las propiedades térmicas del carburo de silicio son grandes, por lo que la disipación de calor de la oblea de SiC será más fácil de lograr. Esto reduce en gran medida el uso de componentes de enfriamiento, junto con una estructura más delgada, lo que promueve la miniaturización del dispositivo. Esto hace que el sustrato de obleas de SiC domine las aplicaciones de alta potencia. Cuando la potencia es un poco menor, GaN tiene una mayor movilidad de electrones, por lo que puede tener una mayor velocidad de conmutación que SiC o Si. En aplicaciones de alta frecuencia de baja potencia, GaN tiene ventajas.

1.3 Alta eficiencia

Con el desarrollo de la tecnología SiC, los MOSFET de SiC pueden reemplazar algunos IGBT de Si en la situación de que la potencia esté entre 100kW-10MW y la frecuencia de operación entre 10kHz-100MHz. Especialmente para algunas aplicaciones, las que requieren alta eficiencia energética y tamaño del espacio, como cargadores y sistemas de transmisión eléctrica, pilas de carga, microinversores fotovoltaicos, rieles de alta velocidad, redes inteligentes y fuentes de alimentación de grado industrial.

1.4 Ahorro de costes

El ahorro de costes depende del precio de todo el dispositivo, no del precio de un componente. El precio de los productos de SiC es 5-6 veces mayor que el de los productos de Si, disminuyendo a una tasa del 10% por año. Con la expansión de los materiales y dispositivos upstream, la oferta del mercado aumentará en los próximos 2 a 3 años y el precio seguirá cayendo. Se estima que cuando el precio alcance 2 ~ 3 veces el producto de Si correspondiente, las ventajas aportadas por la reducción del costo del sistema y la mejora del rendimiento promoverán que los dispositivos de carburo de silicio ocupen gradualmente el mercado de dispositivos de silicio.

Múltiples indicadores que deben cumplir los MOSFET de SiC:

2. ¿Por qué no utilizar SiC Wafer como IGBT?

Ahora MOSFET en el cristal de propiedades de carburo de silicio puede alcanzar un voltaje de resistencia de 6 kV, que ya puede cubrir el nivel de voltaje de resistencia actual de Si IGBT. La estructura del chip de MOSFET es más simple que IGBT. Por lo tanto, no hay necesidad de utilizar carburo de silicio a gran escala para fabricar IGBT, lo que supondrá una pérdida de costes. Ahora, solo hay unas pocas ocasiones en que se utilizan interruptores de voltaje de alta resistencia de nivel de 10 kV, como algunas estaciones convertidoras y estaciones de tracción.

Para obtener más información, contáctenos por correo electrónico a victorchan@powerwaywafer.com y powerwaymaterial@gmail.com.