炭化ケイ素の特性に関するバレル理論

樽の理論を知っておく必要があります。バケツにどれだけの水を入れることができるかは、最も短い木材によって決まります。研究する人にとっては、1 点だけで十分です。アプリケーションでは、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。炭化ケイ素のさまざまな特性は、さまざまな要求に適合するのに便利です。炭化ケイ素の特性に関する詳細情報については、以下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進材料有限公司(PAM-厦門）。

バンドギャップによると、半導体材料第一世代半導体、第二世代半導体、第三世代半導体に分けられます。材料には、バンドギャップ、バンドギャップの種類、破壊電界強度、電子移動度、正孔移動度、飽和電子ドリフト速度、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。市場が本当に必要としているのは、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です。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となります。需要とパフォーマンスの関係を組み合わせて、必要な最終材料を入手できます。炭化ケイ素ウェーハの特性が複数のデバイスのパフォーマンス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、デバイスの性能を実現するには、複数の材料の性能を満足させる必要もあります。

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、電子が熱に変わるよりも、高エネルギー準位から低エネルギー準位に遷移して光を放出する確率が高く、LEDやレーザーの加工材料としてより適しています。熱伝導率が高く、同じ発熱量を意味するため、この材料は熱を周囲の環境に素早く伝導します。

炭化ケイ素の特性を具体的に紹介するには、デバイスの要件の分析から始めます。要件を説明する簡単なモデルがあります。つまり、より多くのデバイス、高効率、優れたテクノロジー、コスト削減です。

1. デバイスの追加: 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い必要があります。
2. 高効率: テクノロジーは時間内に実現可能です。
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存在します。この点の具体的な要求は、充電器の 4 つの主要な要件に似ています。小型、急速充電、低損失、安全です。
4. コスト削減: コストが十分に低いため、利益が企業の継続的な発展をサポートできます。

1. 炭化ケイ素の特性分析に基づく SiC MOSFET が Si IGBT を置き換える

デバイスの Si IGBT の代わりに SiC MOSFET を使用する理由は何ですか?その理由を炭化ケイ素の性質を用いて簡単なモデルで説明すると次のようになります。

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、満たすべき基準は損失です。半導体デバイスはスイッチング状態、つまりオンまたはオフのいずれかで動作します。理想的な電圧と電流の波形を次の左の図に示します。オン状態では電流が流れ、電圧降下は0、オフ状態では電流は0です。

しかし、実際には、次の 4 種類の損失があります。

※オフ時にリーク電流ILが発生し、オフ損失も発生します。

※スイッチのオンとオフの過程では、電圧と電流が変化するのに一定の時間がかかります。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重なり、スイッチング損失が発生します。

※回路ON時の電圧はゼロではなく、一定の飽和電圧降下VFが存在します。このとき、電力公式 W=Uit によれば、オン状態での損失が発生します。

※このとき同じスイッチング損失が遮断され、カットオフ損失に相当します。

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 = 導通損失 + カットオフ損失。

一般にオフ損失は極めて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。

下図に示すように、スイッチング周波数が上昇するにつれて、ターンオンとターンオフの時間を短くする必要があり、全損失に占めるオン損失の割合も常に減少しています。スイッチング損失、つまりスイッチング回数が増加し、総スイッチング時間が増加します。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、高電圧条件下での高周波動作性能を決定するのは飽和ドリフト率です。

Si MOSFET が市場に投入されると、低周波数および低電圧の市場需要に直接対応します。しかし、Si MOSFETでは耐圧性能を向上させるとそれに応じてチップを厚くする必要があり、オン損失が大きくなるという問題がありました。つまり耐圧は2倍、オン抵抗は5～6倍になります。したがって、高電圧Si MOSFETのオン損失は非常に大きく、高電圧でのMOSFETの適用が制限されます。 Si MOSFETの耐圧を向上させるためにSi IGBT構造（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が提案されたのはこのためです。

MOSFET と比較して、IGBT には P ドープ層の追加層があり、バイポーラ デバイスに変換されます。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電圧降下を維持でき、それによってオン状態損失が大幅に低減されます。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。オフの場合、少数キャリアは自然に再結合する必要があり、このプロセスでは外部電場が存在しないため、電流テーリングが存在します。スイッチング損失は非常に大きいため、高周波アプリケーションでの IGBT の用途は制限されます。一般に、動作周波数は数 kHz のレベルにすぎません。

炭化ケイ素特性結晶の導入により、MOSFET の耐電圧性が別の方向から改善されました。 SiC は破壊電界が強いため、高耐圧下ではチップが非常に薄くなります。破壊電界の強度はバンドギャップ幅に関係します。一般に、ワイドバンドギャップ半導体はSiよりも耐久性が高くなります。また、この薄さによりオン抵抗も低減され、IGBTのスイッチング損失が大きいという欠点も克服されました。

デバイスと材料	低電圧 <300V	高電圧 300-900V		超高圧＞900V
低いスイッチング周波数 10kHz	Siトレンチ	Si SJ	SiIGBT	SiIGBT
	–	–	–	SiCの
中スイッチング周波数 100kHz	Siトレンチ	–	–	SiCの
	GaN系	GaN系	SiCの
高いスイッチング周波数	GaN系	GaN系	SiCの	SiCの

 

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、高耐圧条件下で比較的低いオン抵抗を得ることができる。

1.2 追加のデバイス

SiC ウェハーの利点は、伝導損失の低減だけではありません。電源スイッチの場合は、熱と放熱に焦点を当てる必要があります。炭化ケイ素の熱特性は大きいため、SiC ウェーハの熱放散が容易になります。これにより、冷却部品の使用が大幅に削減されるとともに、構造がより薄くなり、装置の小型化が促進されます。これにより、SiC ウェハ基板が高出力アプリケーションで主流になります。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実現できます。低電力高周波アプリケーションでは、GaN に利点があります。

1.3 高効率

SiC テクノロジーの発展により、電力が 100kW ～ 10MW、動作周波数が 10kHz ～ 100MHz の状況では、SiC MOSFET が一部の Si IGBT を置き換えることができます。特に一部のアプリケーションでは、充電器と電気駆動システム、充電パイル、太陽光発電マイクロインバータ、高速鉄道、スマートグリッド、産業グレードの電源など、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よって決まります。 SiC 製品の価格は Si 製品の 5 ～ 6 倍であり、年間 10% の割合で下落しています。上流の材料や装置の拡大により、今後2～3年で市場供給量は増加し、価格はさらに下落するとみられる。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市場を占めるようになることが予想されます。

SiC MOSFET が満たす必要がある複数の指標:

MOSFETの炭化ケイ素の特性	硬さと生産安定性
静的特性	しきい値電圧
	ゲート酸化膜の信頼性
	短絡能力
動特性	使いやすさ
	チップ生産の安定性
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2. SiCウェハをIGBTとして使用してみませんか?

現在、炭化ケイ素特性結晶上のMOSFETは耐電圧6kVを達成できており、すでに現在のSi IGBTの耐電圧レベルをカバーできます。 MOSFETはIGBTに比べてチップ構造が単純です。したがって、IGBTを製造するために炭化ケイ素を大規模に使用する必要がなく、コストが無駄になります。現在、10kVレベルの高耐圧開閉器が使用される機会は一部の変電所や牽引所などに限られています。

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