Você deve conhecer a teoria do barril: a quantidade de água que um balde pode conter depende do menor pedaço de madeira. Para quem faz pesquisa, apenas um ponto é bom; para as aplicações, deve-se sempre considerar o desempenho geral e encontrar o mais adequado para o mercado. Várias propriedades do carboneto de silício são convenientes para atender às diferentes demandas. Informações mais específicas sobre as propriedades do carboneto de silício, consulte a1.11 PROPRIEDADES DE MATERIAIS DE CARBONETO DE SILICONEem Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN).

De acordo com o gap,materiais semicondutoressão divididos em semicondutores de primeira geração, semicondutores de segunda geração e semicondutores de terceira geração. O material envolve band gap, tipo de band gap, força do campo de degradação, mobilidade do elétron, mobilidade do buraco, taxa de deriva do elétron saturado, condutividade térmica, constante dielétrica, dureza e outras propriedades.

Porém, o que o mercado precisa não são as propriedades. O mercado realmente precisa de dispositivos com o desempenho de frequência mais alto, como o inversor, em vez do desempenho de materiais semicondutores. Mas as propriedades do carboneto de silício são a base para a realização do desempenho dos dispositivos de circuito eletrônico. Você pode combinar a relação entre demanda e desempenho para obter o material final necessário. É importante notar que as propriedades do wafer de carboneto de silício podem afetar o desempenho de vários dispositivos; da mesma forma, a realização do desempenho de um dispositivo também requer a satisfação do desempenho de vários materiais.

Por exemplo, se a estrutura da banda de energia for um gap direto, a probabilidade de os elétrons passarem de um nível de energia alto para um nível de energia baixo para emitir luz é maior, em vez de se transformar em calor, o que é mais adequado para LEDs ou lasers como material de trabalho. Com alta condutividade térmica, o que significa a mesma geração de calor, o material pode conduzir calor rapidamente para o ambiente circundante.

Para introduzir especificamente as propriedades do carboneto de silício, partimos da análise dos requisitos do dispositivo. Existe um modelo simples para descrever os requisitos: mais dispositivos, alta eficiência, boa tecnologia e economia de custos.

1. Mais dispositivos: os dispositivos devem ser pequenos o suficiente, para que haja dispositivos suficientes;
2. Alta eficiência: a tecnologia pode ser realizada a tempo;
3. Boa tecnologia: a tecnologia pode atender às demandas do mercado e há submercados suficientes. As demandas específicas deste ponto são como os quatro requisitos principais do carregador: tamanho pequeno, carregamento rápido, baixa perda e segurança;
4. Economia de custos: o custo é baixo o suficiente para que os lucros possam apoiar o desenvolvimento contínuo da empresa.

1. MOSFETs de SiC substituem IGBTs de Si com base na análise de propriedades de carboneto de silício

Por que usar MOSFETs SiC para substituir IGBTs Si para dispositivos? As razões serão explicadas por meio das propriedades do carboneto de silício no modelo simples a seguir.

1.1 Boa Tecnologia

Para conversores de energia, os requisitos de frequência e os requisitos de tensão de suporte devem ser atendidos, e o padrão a ser atendido é a perda. O dispositivo semicondutor funciona no estado chaveado, ou seja, está ligado ou desligado. As formas de onda ideais de tensão e corrente são mostradas na figura à esquerda abaixo. A corrente flui no estado ligado, a queda de tensão é 0 e a corrente no estado desligado é zero.

Mas, na verdade, existem quatro tipos de perdas, conforme mostrado abaixo:

* Há fuga de corrente IL quando ele é desligado, o que também produz perda no estado desligado;

* No processo de ligar e desligar, a tensão e a corrente precisam de um certo tempo para mudar, que é o tempo de comutação. A tensão e a corrente se sobrepõem durante o processo de comutação, resultando em perdas de comutação.

* Quando o circuito está ligado, a tensão não é zero e há uma certa queda de tensão de saturação VF. Neste momento, de acordo com a fórmula de potência W = Uit, há uma perda de estado ligado;

* A mesma perda de chaveamento é cortada neste momento, correspondendo à perda de corte.

Perda = perda estática + perda de comutação. Perda estática = perda de estado ligado + perda de estado desligado; perda de comutação / perda dinâmica = perda de condução + perda de corte.

Geralmente, a perda do estado desligado é extremamente pequena, portanto, não há necessidade de considerá-la. Como o modo de uso é fixo, o desempenho do dispositivo que determina a perda no estado ligado é a queda de tensão de saturação e as propriedades elétricas do carboneto de silício nos dispositivos que determinam a perda de comutação é o tempo de comutação.

Conforme mostrado na figura abaixo, conforme a frequência de chaveamento aumenta, o tempo para ligar e desligar deve ser menor, e a proporção da perda do estado ligado na perda total também diminui constantemente; a perda de comutação - o número de tempos de comutação está aumentando, aumentando o tempo total de comutação. É a mobilidade do elétron que determina o desempenho operacional de alta frequência em condições de baixa tensão, e a taxa de deriva de saturação determina o desempenho operacional de alta frequência em condições de alta tensão.

Quando os MOSFETs Si chegam ao mercado, eles atendem diretamente à demanda do mercado de baixa frequência e baixa tensão. No entanto, há um problema no Si MOSFET: se a capacidade de tensão suportável deve ser melhorada, o chip deve ser mais espesso de acordo, resultando em alta perda no estado. Ou seja, a tensão suportável é dobrada e a resistência ligada será de 5 a 6 vezes maior que a original. Portanto, a perda no estado do Si MOSFET de alta tensão é muito grande, o que restringe a aplicação do MOSFET em ocasiões de alta tensão. É a razão pela qual a estrutura de Si IGBT (transistor bipolar de porta isolada) é proposta para melhorar a resistência de tensão do Si MOSFET.

Comparado com o MOSFET, o IGBT tem uma camada extra de camada dopada com P, que é transformada em um dispositivo bipolar. Seu efeito de modulação de condutância pode reduzir significativamente a resistência, de modo que o IGBT de alta tensão ainda pode manter uma queda de tensão relativamente baixa no estado, reduzindo significativamente a perda no estado ligado. No entanto, o efeito da modulação da condutância tem lados positivos e negativos. Ao desligar, os portadores minoritários precisam se recombinar naturalmente, não havendo campo elétrico externo neste processo, o que leva à existência de rejeitos de corrente. A perda de chaveamento é muito grande, o que restringe as aplicações do IGBT em aplicações de alta frequência. Geralmente, a freqüência de operação só pode estar no nível de alguns kHz.

A introdução de cristal de propriedades de carboneto de silício melhorou a resistência à tensão de MOSFEETs de outra direção. Como o campo de decomposição do SiC é forte, o chip será muito fino sob a alta tensão suportável. A intensidade do campo de degradação está relacionada à largura da lacuna de banda. Em geral, os semicondutores de gap largo são mais resistentes do que o Si. E esta finura também reduz a resistência ao ligar, superando assim o defeito de grandes perdas de chaveamento do IGBT.

Portanto, as propriedades do carboneto de silício podem ajudar os dispositivos a atingirem maior concentração de dopagem e dispositivos mais finos, obtendo uma resistência relativamente baixa sob a condição de alta tensão suportável.

1.2 Mais Dispositivos

A vantagem do wafer de SiC não é apenas a redução das perdas de condução. Para interruptores de energia, precisamos nos concentrar no calor e na dissipação de calor. As propriedades térmicas do carboneto de silício são grandes, então a dissipação do calor do wafer de SiC será mais fácil de alcançar. Isso reduz bastante o uso de componentes de refrigeração, aliados a uma estrutura mais delgada, promovendo a miniaturização do dispositivo. Isso faz com que o substrato de wafer de SiC domine em aplicações de alta potência. Quando a potência é um pouco mais baixa, o GaN tem maior mobilidade de elétrons, portanto, pode ter uma velocidade de comutação mais alta do que SiC ou Si. Em aplicações de alta frequência de baixa potência, o GaN tem vantagens.

1.3 Alta Eficiência

Com o desenvolvimento da tecnologia SiC, os MOSFETs SiC podem substituir alguns IGBTs Si na situação em que a potência está entre 100kW-10MW e a frequência de operação está entre 10kHz-100MHz. Especialmente para algumas aplicações, eles requerem alta eficiência energética e tamanho de espaço, como carregadores e sistemas de acionamento elétrico, pilhas de carregamento, microinversores fotovoltaicos, trilhos de alta velocidade, redes inteligentes e fontes de alimentação de nível industrial.

1.4 Economia de custos

A redução de custos depende do preço de todo o dispositivo, não do preço de um componente. O preço dos produtos de SiC é de 5 a 6 vezes o dos produtos de Si, diminuindo a uma taxa de 10% ao ano. Com a expansão dos materiais e dispositivos upstream, a oferta do mercado aumentará nos próximos 2 a 3 anos e o preço cairá ainda mais. Estima-se que quando o preço atingir 2 ~ 3 vezes do produto de Si correspondente, as vantagens trazidas pela redução do custo do sistema e a melhoria do desempenho farão com que os dispositivos de carboneto de silício ocupem gradativamente o mercado de dispositivos de silício.

Múltiplos indicadores que os SiC MOSFETs precisam atender:

2. Por que não usar o SiC Wafer como IGBT?

Agora, o MOSFET em cristal de propriedades de carboneto de silício pode atingir 6kV de tensão suportável, que já pode cobrir o nível de corrente suportável de tensão de Si IGBT. A estrutura do chip do MOSFET é mais simples do que o IGBT. Assim, não há necessidade de usar carboneto de silício em grande escala para fazer IGBT, o que vai desperdiçar custo. Agora, existem apenas algumas ocasiões em que se usam as chaves de alta tensão suportável de nível de 10kV, como algumas estações conversoras e estações de tração.

Para obter mais informações, entre em contato conosco pelo e-mail victorchan@powerwaywafer.com e powerwaymaterial@gmail.com.