You must know the barrel theory: how much water a bucket can hold depends on the shortest piece of wood. For those who do research, just one point is good; for applications, the overall performance must always be considered and find the most suitable one for the market. Various silicon carbide properties are convenient to match different demands. More specific information about the silicon carbide properties, please refer to 1.11 SILICON CARBIDE MATERIAL PROPERTIES on Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd.(PAM-XIAMEN).

According to the band gap, semiconductor materials are divided into first-generation semiconductors, second-generation semiconductors, and third-generation semiconductors. The material involves band gap, band gap type, breakdown field strength, electron mobility, hole mobility, saturated electron drift rate, thermal conductivity, dielectric constant, hardness and other properties.

Tuttavia, ciò di cui il mercato ha bisogno non sono le proprietà. Il mercato ha davvero bisogno dei dispositivi con le prestazioni di frequenza più elevate, come l'inverter, piuttosto che le prestazioni dei materiali semiconduttori. Ma le proprietà del carburo di silicio sono la base per realizzare le prestazioni dei dispositivi del circuito elettronico. È possibile combinare la relazione tra domanda e prestazioni per ottenere il materiale finale necessario. Vale la pena notare che le proprietà del wafer di carburo di silicio possono influenzare le prestazioni di più dispositivi; allo stesso modo, la realizzazione delle prestazioni di un dispositivo richiede anche la soddisfazione delle prestazioni di più materiali.

Ad esempio, se la struttura della banda di energia è un gap di banda diretto, la probabilità che gli elettroni passino da un livello di alta energia a un livello di energia basso per emettere luce è maggiore, piuttosto che trasformarsi in calore, che è più adatto per LED o laser come materiale di lavoro. Con un'elevata conduttività termica, il che significa la stessa generazione di calore, il materiale può condurre rapidamente il calore all'ambiente circostante.

Per introdurre nello specifico le proprietà del carburo di silicio, partiamo dall'analisi dei requisiti del dispositivo. Esiste un semplice modello per descrivere i requisiti: più dispositivi, alta efficienza, buona tecnologia e risparmio sui costi.

1. Più dispositivi: i dispositivi dovrebbero essere abbastanza piccoli, in modo che ci siano abbastanza dispositivi;
2. Alta efficienza: la tecnologia può essere realizzata nel tempo;
3. Buona tecnologia: la tecnologia può soddisfare le richieste del mercato e ci sono abbastanza sottomercati. Le esigenze specifiche di questo punto sono come i quattro requisiti principali del caricabatterie: dimensioni ridotte, ricarica rapida, bassa perdita e sicurezza;
4. Risparmio sui costi: il costo è sufficientemente basso, in modo che i profitti possano supportare il continuo sviluppo dell'impresa.

1. I MOSFET SiC sostituiscono gli IGBT Si Basati sull'analisi delle proprietà del carburo di silicio

Perché utilizzare MOSFET SiC per sostituire gli IGBT Si per i dispositivi? Le ragioni saranno spiegate attraverso le proprietà del carburo di silicio sul modello semplice come segue.

1.1 Buona tecnologia

Per i convertitori di potenza, i requisiti di frequenza e i requisiti di tensione di tenuta devono essere soddisfatti e lo standard da soddisfare è la perdita. Il dispositivo a semiconduttore funziona nello stato di commutazione, ovvero è acceso o spento. Le forme d'onda della tensione e della corrente ideali sono mostrate nella figura sotto a sinistra. La corrente scorre nello stato on, la caduta di tensione è 0 e la corrente nello stato off è zero.

Ma in realtà, ci sono quattro tipi di perdite come mostrato di seguito:

* C'è corrente di dispersione IL quando è spento, che produce anche una perdita fuori stato;

* Durante il processo di accensione e spegnimento, la tensione e la corrente richiedono un certo periodo di tempo per cambiare, che è il tempo di commutazione. La tensione e la corrente si sovrappongono durante il processo di commutazione, provocando perdite di commutazione.

* Quando il circuito è acceso, la tensione non è zero e c'è una certa caduta di tensione di saturazione VF. In questo momento, secondo la formula di potenza W = Uit, c'è una perdita di stato on;

* La stessa perdita di commutazione è tagliata in questo momento, corrispondente alla perdita di chiusura.

Perdita = perdita statica + perdita di commutazione. Perdita statica = perdita in stato on + perdita in stato off; perdita di commutazione / perdita dinamica = perdita di conduzione + perdita di cut-off.

In generale, la perdita fuori dallo stato è estremamente piccola, quindi non è necessario prenderla in considerazione. Poiché la modalità di utilizzo è fissa, le prestazioni del dispositivo che determinano la perdita di stato on sono la caduta di tensione di saturazione e le proprietà elettriche del carburo di silicio nei dispositivi che determinano la perdita di commutazione sono il tempo di commutazione.

Come mostrato nella figura seguente, all'aumentare della frequenza di commutazione, il tempo per l'accensione e lo spegnimento deve essere più breve e anche la proporzione della perdita nello stato on rispetto alla perdita totale è in costante diminuzione; la perdita di commutazione: il numero di tempi di commutazione aumenta, facendo aumentare il tempo di commutazione totale. È la mobilità degli elettroni che determina le prestazioni operative ad alta frequenza in condizioni di bassa tensione e la velocità di deriva della saturazione determina le prestazioni operative ad alta frequenza in condizioni di alta tensione.

Quando i MOSFET Si arrivano sul mercato, soddisfano direttamente la domanda del mercato di bassa frequenza e bassa tensione. Tuttavia, c'è un problema in Si MOSFET: se la capacità di resistere alla tensione deve essere migliorata, il chip deve essere più spesso di conseguenza, con conseguente elevata perdita di stato on. Cioè, la tensione di tenuta è raddoppiata e la resistenza attiva sarà da 5 a 6 volte rispetto all'originale. Pertanto, la perdita di stato ON del MOSFET Si ad alta tensione è molto grande, il che limita l'applicazione del MOSFET in occasioni di alta tensione. Questo è il motivo per cui la struttura Si IGBT (transistor bipolare a gate isolato) viene proposta per migliorare la resistenza alla tensione del MOSFET Si.

Rispetto al MOSFET, l'IGBT ha uno strato aggiuntivo di strato drogato P, che viene trasformato in un dispositivo bipolare. Il suo effetto di modulazione della conduttanza può ridurre significativamente la resistenza, quindi l'IGBT ad alta tensione può ancora mantenere una caduta di tensione nello stato on relativamente bassa, riducendo così in modo significativo la perdita nello stato on. Tuttavia, l'effetto di modulazione della conduttanza ha lati positivi e negativi. Quando si spengono, i portatori di minoranza devono ricombinarsi naturalmente e non c'è campo elettrico esterno in questo processo, il che porta all'esistenza di scodamenti di corrente. La perdita di commutazione è molto grande, il che limita le applicazioni dell'IGBT nelle applicazioni ad alta frequenza. Generalmente, la frequenza operativa può essere solo a livello di pochi kHz.

L'introduzione del cristallo di proprietà del carburo di silicio ha migliorato la resistenza alla tensione dei MOSFEET da un'altra direzione. Poiché il campo di rottura del SiC è forte, il chip sarà molto sottile sotto l'elevata tensione di tenuta. L'intensità del campo di ripartizione è correlata alla larghezza del band gap. In generale, i semiconduttori con gap di banda larga sono più resistenti del Si. E questa sottigliezza riduce anche la resistenza on, superando così il difetto di grandi perdite di commutazione dell'IGBT.

Pertanto, le proprietà del carburo di silicio possono aiutare i dispositivi a raggiungere una maggiore concentrazione di drogaggio e dispositivi più sottili, ottenendo una resistenza on relativamente bassa in condizioni di alta tensione di tenuta.

1.2 Più dispositivi

Il vantaggio del wafer SiC non è solo la riduzione delle perdite di conduzione. Per gli interruttori di alimentazione, dobbiamo concentrarci sul calore e sulla dissipazione del calore. Le proprietà termiche del carburo di silicio sono grandi, quindi la dissipazione del calore del wafer SiC sarà più facile da ottenere. Ciò riduce notevolmente l'utilizzo di componenti di raffreddamento, insieme a una struttura più sottile, favorendo la miniaturizzazione del dispositivo. Questo fa sì che il substrato di wafer SiC domini nelle applicazioni ad alta potenza. Quando la potenza è leggermente inferiore, GaN ha una maggiore mobilità degli elettroni, quindi può avere una velocità di commutazione maggiore rispetto a SiC o Si. Nelle applicazioni ad alta frequenza a bassa potenza, GaN presenta dei vantaggi.

1.3 Alta efficienza

Con lo sviluppo della tecnologia SiC, i MOSFET SiC possono sostituire alcuni IGBT Si nella situazione in cui la potenza è compresa tra 100kW-10MW e la frequenza operativa è compresa tra 10kHz-100MHz. Soprattutto per alcune applicazioni, quelle richiedono un'elevata efficienza energetica e dimensioni dello spazio, come caricabatterie e sistemi di azionamento elettrico, pile di ricarica, microinverter fotovoltaici, binari ad alta velocità, reti intelligenti e alimentatori di livello industriale.

1.4 Risparmio sui costi

Il risparmio sui costi dipende dal prezzo dell'intero dispositivo, non dal prezzo di un componente. Il prezzo dei prodotti SiC è 5-6 volte quello dei prodotti Si, con una diminuzione del 10% all'anno. Con l'espansione dei materiali e dei dispositivi a monte, l'offerta del mercato aumenterà nei prossimi 2-3 anni e il prezzo scenderà ulteriormente. Si stima che quando il prezzo raggiunge 2 ~ 3 volte il corrispondente prodotto Si, i vantaggi portati dalla riduzione del costo del sistema e dal miglioramento delle prestazioni promuoveranno i dispositivi in ​​carburo di silicio ad occupare gradualmente il mercato dei dispositivi in ​​silicio.

Indicatori multipli che i MOSFET SiC devono soddisfare:

2. Perché non utilizzare il SiC Wafer come IGBT?

Ora il MOSFET con le proprietà del carburo di silicio, il cristallo può raggiungere una tensione di tenuta di 6 kV, che può già coprire il livello di tensione di tenuta corrente dell'IGBT Si. La struttura del chip del MOSFET è più semplice dell'IGBT. Pertanto, non è necessario utilizzare il carburo di silicio su larga scala per produrre IGBT, il che farà sprecare i costi. Ora, ci sono solo poche occasioni in cui si utilizzano interruttori di tensione ad alta resistenza di livello 10kV, come alcune stazioni di conversione e stazioni di trazione.

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