あなたはバレル理論を知っている必要があります：バケツが保持できる水量は最短の木片に依存します。 研究をしている人にとっては、たった1つのポイントが良いです。 アプリケーションの場合、全体的なパフォーマンスを常に考慮し、市場に最適なものを見つける必要があります。 さまざまな炭化ケイ素の特性は、さまざまな要求に対応するのに便利です。 炭化ケイ素の特性に関するより具体的な情報については、を参照してください。1.11炭化ケイ素の材料特性厦門パワーウェイ先端材料株式会社（PAM-厦門).

バンドギャップによると、半導体材料第一世代の半導体、第二世代の半導体、第三世代の半導体に分けられます。 この材料には、バンドギャップ、バンドギャップタイプ、絶縁破壊電界強度、電子移動度、正孔移動度、飽和電子ドリフト率、熱伝導率、誘電率、硬度、およびその他の特性が含まれます。

しかし、市場が必要としているのは物件ではありません。 市場は、半導体材料の性能ではなく、インバーターのような最高の周波数性能を備えたデバイスを本当に必要としています。 しかし、炭化ケイ素の特性は、電子回路デバイスの性能を実現するための基礎です。 需要とパフォーマンスの関係を組み合わせて、必要な最終的な材料を得ることができます。 炭化ケイ素ウェーハの特性が複数のデバイスの性能に影響を与える可能性があることは注目に値します。 同様に、デバイスのパフォーマンスを実現するには、複数のマテリアルのパフォーマンスを満足させる必要があります。

たとえば、エネルギーバンドの構造が直接バンドギャップである場合、電子が熱に変わるのではなく、高エネルギーレベルから低エネルギーレベルに遷移して発光する可能性が高くなります。これは、LEDや作業材料としてのレーザー。 同じ発熱を意味する高い熱伝導率で、材料は周囲の環境に素早く熱を伝導することができます。

炭化ケイ素の特性を具体的に紹介するために、デバイスの要件の分析から始めます。 要件を説明するための単純なモデルがあります。より多くのデバイス、高効率、優れたテクノロジー、およびコスト削減です。

1. より多くのデバイス：十分な数のデバイスが存在するように、デバイスは十分に小さくする必要があります。
2. 高効率：テクノロジーは時間内に実現できます。
3. 優れたテクノロジー：テクノロジーは市場の需要を満たすことができ、十分なサブマーケットがあります。 この点の特定の要求は、充電器の4つの主要な要件のようなものです。小型、高速充電、低損失、および安全性です。
4. コスト削減：コストが十分に低いため、利益は企業の継続的な発展をサポートできます。

1. SiC MOSFETは、炭化ケイ素特性の分析に基づいてSiIGBTに取って代わります

デバイスのSiIGBTの代わりにSiCMOSFETを使用するのはなぜですか？ 理由は、以下のように単純なモデルの炭化ケイ素特性を通して説明されます。

1.1優れたテクノロジー

電力変換器の場合、周波数要件と耐電圧要件を満たす必要があり、満たす基準は損失です。 半導体デバイスはスイッチング状態で動作します。つまり、オンまたはオフのいずれかです。 理想的な電圧と電流の波形を下の左図に示します。 電流はオン状態で流れ、電圧降下は0で、オフ状態の電流はゼロです。

しかし実際には、以下に示すように4種類の損失があります。

*オフにするとリーク電流ILが発生し、オフ状態の損失も発生します。

※電源のオン/オフを切り替える過程で、電圧と電流が変化するまでに一定の時間が必要です。これがスイッチング時間です。 スイッチングプロセス中に電圧と電流がオーバーラップし、スイッチング損失が発生します。

※電源投入時の電圧はゼロではなく、一定の飽和電圧降下VFがあります。 この時点で、電力式W = Uitによると、オン状態の損失があります。

※このとき、カットオフ損失に対応して、同じスイッチング損失がカットオフされます。

損失=静的損失+スイッチング損失。 静的損失=オン状態の損失+オフ状態の損失。 スイッチング損失/動的損失=伝導損失+カットオフ損失。

一般に、オフ状態の損失は非常に小さいため、考慮する必要はありません。 使用モードが固定されているため、オン状態の損失を決定するデバイスの性能は飽和電圧降下であり、スイッチング損失を決定するデバイスの炭化ケイ素の電気的特性はスイッチング時間です。

下の図に示すように、スイッチング周波数が高くなると、ターンオンとターンオフの時間が短くなる必要があり、総損失に占めるオン状態の損失の割合も絶えず減少しています。 スイッチング損失-スイッチング回数が増加しているため、合計スイッチング時間が増加しています。 低電圧条件下での高周波動作性能を決定するのは電子移動度であり、飽和ドリフト率は高電圧条件下での高周波動作性能を決定します。

Si MOSFETが市場に出ると、低周波および低電圧の市場需要に直接応えます。 ただし、Si MOSFETには問題があります。耐電圧能力を向上させるには、それに応じてチップを厚くする必要があるため、オン状態の損失が大きくなります。 つまり、耐電圧が2倍になり、オン抵抗が元の5〜6倍になります。 したがって、高電圧Si MOSFETのオン状態損失は非常に大きく、高電圧の場合のMOSFETの適用が制限されます。 これが、SiMOSFETの耐電圧性を向上させるためにSiIGBT構造（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が提案されている理由です。

MOSFETと比較して、IGBTにはPドープ層の追加層があり、これがバイポーラデバイスに変換されます。 そのコンダクタンス変調効果により抵抗を大幅に低減できるため、高電圧IGBTは比較的低いオン状態の電圧降下を維持できるため、オン状態の損失を大幅に低減できます。 ただし、コンダクタンス変調効果にはプラス面とマイナス面の両方があります。 オフにするとき、少数キャリアは自然に再結合する必要があり、このプロセスには外部電界がないため、電流テーリングが存在します。 スイッチング損失が非常に大きいため、高周波アプリケーションでのIGBTのアプリケーションが制限されます。 一般に、動作周波数は数kHzのレベルにしかなりません。

炭化ケイ素特性結晶の導入により、MOSFEETの耐電圧が別の方向から改善されました。 SiCの絶縁破壊電圧が強いため、高い耐電圧下ではチップは非常に薄くなります。 破壊電界強度は、バンドギャップ幅に関連しています。 一般に、ワイドバンドギャップ半導体はSiよりも耐久性があります。 また、この薄さはオン抵抗を低減し、それによってIGBTの大きなスイッチング損失の欠点を克服します。

したがって、炭化ケイ素の特性は、デバイスがより高いドーピング濃度とより薄いデバイスを達成するのに役立ち、高い耐電圧の条件下で比較的低いオン抵抗を得ることができます。

1.2その他のデバイス

SiCウェーハの利点は、伝導損失が減少することだけではありません。 電源スイッチの場合、熱と熱放散に焦点を当てる必要があります。 炭化ケイ素の熱特性が大きいため、SiCウェーハの熱放散が容易になります。 これにより、冷却コンポーネントの使用が大幅に削減され、構造が薄くなり、デバイスの小型化が促進されます。 これにより、SiCウェーハ基板が高出力アプリケーションで優位に立つようになります。 電力が少し低い場合、GaNは電子移動度が高いため、SiCやSiよりも高いスイッチング速度を持つことができます。 低電力高周波アプリケーションでは、GaNには利点があります。

1.3高効率

SiC技術の開発により、電力が100kW〜10MWで、動作周波数が10kHz〜100MHzの状況で、SiCMOSFETが一部のSiIGBTに取って代わることができます。 特に一部のアプリケーションでは、充電器や電気駆動システム、充電パイル、太陽光発電マイクロインバーター、高速鉄道、スマートグリッド、産業用電源など、高いエネルギー効率とスペースサイズが必要です。

1.4コスト削減

コスト削減は、コンポーネントの価格ではなく、デバイス全体の価格に依存します。 SiC製品の価格はSi製品の5〜6倍であり、年率10％で下落しています。 上流の材料や装置の拡大に伴い、今後2〜3年で市場の供給が増加し、価格はさらに下落します。 価格が対応するSi製品の2〜3倍に達すると、システムコストの削減と性能の向上によってもたらされる利点により、炭化ケイ素デバイスが徐々にシリコンデバイスの市場を占めるようになると推定されています。

SiC MOSFETが満たす必要のある複数の指標：

2. SiCウェーハをIGBTとして使用してみませんか？

これで、炭化ケイ素特性結晶上のMOSFETは、6kVの耐電圧を達成できます。これは、SiIGBTの現在の耐電圧レベルをすでにカバーできます。 MOSFETのチップ構造はIGBTよりも単純です。 したがって、IGBTを製造するために大規模に炭化ケイ素を使用する必要はなく、コストを浪費することになります。 現在、一部の変換所や牽引所など、10kVレベルの高耐電圧スイッチを使用する機会はごくわずかです。

詳細については、メールでお問い合わせください。 victorchan@powerwaywafer.com と powerwaymaterial@gmail.com.