Вы должны знать теорию бочки: сколько воды может вместить ведро, зависит от самого короткого куска дерева. Для тех, кто занимается исследованиями, достаточно одного балла; для приложений всегда необходимо учитывать общую производительность и выбирать наиболее подходящий для рынка. Различные свойства карбида кремния подходят для удовлетворения различных требований. Более подробную информацию о свойствах карбида кремния см.1.11 СВОЙСТВА КАРБИДНОГО МАТЕРИАЛА КРЕМНИЯо компании Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-СЯМЫНЬ).

Согласно ширине запрещенной зоны,полупроводниковые материалыделятся на полупроводники первого поколения, полупроводники второго поколения и полупроводники третьего поколения. Материал включает запрещенную зону, тип запрещенной зоны, напряженность поля пробоя, подвижность электронов, подвижность дырок, скорость дрейфа насыщенных электронов, теплопроводность, диэлектрическую постоянную, твердость и другие свойства.

Однако рынку нужны не объекты недвижимости. Рынку действительно нужны устройства с самыми высокими частотными характеристиками, такие как инвертор, а не с характеристиками полупроводниковых материалов. Но свойства карбида кремния - это основа для реализации характеристик электронных схем. Вы можете комбинировать взаимосвязь между спросом и производительностью, чтобы получить окончательный необходимый материал. Стоит отметить, что свойства пластины карбида кремния могут влиять на производительность нескольких устройств; аналогично, реализация характеристик устройства также требует удовлетворения характеристик множества материалов.

Например, если структура энергетической зоны представляет собой прямую запрещенную зону, вероятность перехода электронов с высокого уровня энергии на низкий уровень энергии для излучения света выше, чем превращения в тепло, что больше подходит для светодиодов или светодиодов. лазеры как рабочий материал. Обладая высокой теплопроводностью, что означает такое же тепловыделение, материал может быстро проводить тепло в окружающую среду.

Чтобы конкретно представить свойства карбида кремния, мы начнем с анализа требований к устройству. Существует простая модель для описания требований: больше устройств, высокая эффективность, хорошие технологии и экономия средств.

1. Больше устройств: устройства должны быть достаточно маленькими, чтобы устройств хватало;
2. Высокая эффективность: технология может быть реализована в срок;
3. Хорошая технология: технология может удовлетворить потребности рынка, и субрынков достаточно. Конкретные требования этого пункта аналогичны четырем основным требованиям к зарядному устройству: небольшой размер, быстрая зарядка, низкие потери и безопасность;
4. Экономия затрат: стоимость достаточно низкая, чтобы прибыль могла поддерживать непрерывное развитие предприятия.

1. SiC MOSFET заменяют Si IGBT на основе анализа свойств карбида кремния.

Зачем использовать SiC MOSFET вместо Si IGBT в устройствах? Причины будут объяснены на основе свойств карбида кремния на простой модели следующим образом.

1.1 Хорошая технология

Для силовых преобразователей должны соблюдаться требования к частоте и выдерживаемому напряжению, а стандартом являются потери. Полупроводниковый прибор работает в коммутационном состоянии, то есть либо включен, либо выключен. Идеальные формы сигналов напряжения и тока показаны на левом рисунке ниже. Ток течет во включенном состоянии, падение напряжения равно 0, а ток в выключенном состоянии равен нулю.

Но на самом деле существует четыре вида потерь, как показано ниже:

* В выключенном состоянии присутствует ток утечки IL, который также вызывает потери в выключенном состоянии;

* В процессе включения и выключения для изменения напряжения и тока требуется определенное время, которое является временем переключения. Напряжение и ток перекрываются во время процесса переключения, что приводит к потерям переключения.

* Когда цепь включена, напряжение не равно нулю, и есть определенное падение напряжения насыщения VF. В этот момент, согласно формуле мощности W = Uit, есть потеря в открытом состоянии;

* В это время отключаются те же потери переключения, что соответствует потерям при отключении.

Потери = статические потери + коммутационные потери. Статические потери = потеря в открытом состоянии + потеря в закрытом состоянии; коммутационные потери / динамические потери = потери проводимости + потери при отключении.

Как правило, потери в отключенном состоянии чрезвычайно малы, поэтому нет необходимости их учитывать. Поскольку режим использования фиксирован, характеристика устройства, определяющая потери в открытом состоянии, - это падение напряжения насыщения, а электрические свойства карбида кремния в устройствах, которые определяют потери переключения, - это время переключения.

Как показано на рисунке ниже, по мере увеличения частоты переключения время включения и выключения должно быть короче, а доля потерь в открытом состоянии в общих потерях также постоянно уменьшается; потери на переключение - количество переключений увеличивается, в результате чего увеличивается общее время переключения. Подвижность электронов определяет рабочие характеристики на высоких частотах в условиях низкого напряжения, а скорость дрейфа при насыщении определяет рабочие характеристики на высоких частотах в условиях высокого напряжения.

Когда Si MOSFET выходят на рынок, они напрямую удовлетворяют рыночный спрос на низкочастотные и низковольтные. Однако у Si MOSFET есть проблема: если необходимо улучшить способность выдерживать напряжение, чип должен быть соответственно толще, что приведет к высоким потерям в открытом состоянии. То есть выдерживаемое напряжение увеличивается вдвое, а сопротивление в открытом состоянии будет в 5-6 раз больше, чем исходное. Следовательно, потери в открытом состоянии высоковольтного Si MOSFET очень велики, что ограничивает применение MOSFET в случаях высокого напряжения. Это причина того, что структура Si IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) предлагается для улучшения сопротивления напряжению Si MOSFET.

По сравнению с MOSFET, IGBT имеет дополнительный слой P-легированного слоя, который превращается в биполярное устройство. Его эффект модуляции проводимости может значительно снизить сопротивление, поэтому высоковольтный IGBT может по-прежнему поддерживать относительно низкое падение напряжения в открытом состоянии, тем самым значительно снижая потери в открытом состоянии. Однако эффект модуляции проводимости имеет как положительные, так и отрицательные стороны. При выключении неосновные носители должны рекомбинировать естественным образом, и в этом процессе отсутствует внешнее электрическое поле, что приводит к существованию хвоста тока. Потери при переключении очень велики, что ограничивает применение IGBT в высокочастотных приложениях. Как правило, рабочая частота может быть только на уровне нескольких кГц.

Введение кристалла свойств карбида кремния улучшило сопротивление напряжению MOSFEET с другой стороны. Поскольку поле пробоя SiC велико, кристалл будет очень тонким под высоким выдерживаемым напряжением. Напряженность поля пробоя связана с шириной запрещенной зоны. В общем, полупроводники с широкой запрещенной зоной более устойчивы, чем Si. Эта тонкость также снижает сопротивление в открытом состоянии, тем самым преодолевая недостаток больших коммутационных потерь IGBT.

Следовательно, свойства карбида кремния могут помочь устройствам достичь более высокой концентрации легирования и более тонких устройств, получая относительно низкое сопротивление в открытом состоянии в условиях высокого выдерживаемого напряжения.

1.2 Другие устройства

Преимущество SiC-пластины не только в уменьшении потерь проводимости. Для выключателей питания нам нужно сосредоточиться на теплоотводе и тепловыделении. Тепловые свойства карбида кремния велики, поэтому отвод тепла SiC-пластиной будет легче. Это значительно сокращает использование охлаждающих компонентов вместе с более тонкой структурой, способствуя миниатюризации устройства. Это делает подложку SiC-пластины доминирующей в приложениях с высокой мощностью. Когда мощность немного ниже, GaN имеет более высокую подвижность электронов, поэтому он может иметь более высокую скорость переключения, чем SiC или Si. В маломощных высокочастотных приложениях GaN имеет преимущества.

1.3 Высокая эффективность

С развитием технологии SiC SiC MOSFET могут заменить некоторые Si IGBT в ситуации, когда мощность составляет от 100 кВт до 10 МВт, а рабочая частота находится в диапазоне от 10 кГц до 100 МГц. Особенно для некоторых приложений требуются высокая энергоэффективность и размер пространства, например, зарядные устройства и системы электропривода, зарядные устройства, фотоэлектрические микро-инверторы, высокоскоростная магистраль, интеллектуальные сети и источники питания промышленного уровня.

1.4 Экономия затрат

Экономия затрат зависит от цены всего устройства, а не от цены компонента. Цена на продукты SiC в 5-6 раз выше, чем на продукты Si, со скоростью 10% в год. С расширением производства материалов и устройств, рыночное предложение увеличится в следующие 2–3 года, а цена будет продолжать падать. Подсчитано, что когда цена в 2–3 раза превышает стоимость соответствующего продукта из Si, преимущества, полученные за счет снижения стоимости системы и повышения производительности, будут способствовать тому, что устройства из карбида кремния постепенно займут рынок кремниевых устройств.

Множественные индикаторы, которым должны соответствовать SiC MOSFET:

2. Почему бы не использовать SiC-пластину в качестве IGBT?

Теперь MOSFET на кристалле со свойствами карбида кремния может достигать выдерживаемого напряжения 6 кВ, что уже может покрывать текущий уровень выдерживаемого напряжения Si IGBT. Структура микросхемы MOSFET проще, чем IGBT. Таким образом, нет необходимости использовать карбид кремния в больших масштабах для изготовления IGBT, что приведет к потере затрат. В настоящее время переключатели высокого выдерживаемого напряжения уровня 10 кВ используются лишь в нескольких случаях, например, на некоторых преобразовательных подстанциях и тяговых подстанциях.

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресу victorchan@powerwaywafer.com и powerwaymaterial@gmail.com.