Barrel Theory of Silicon Carbide Properties

Barrel Theory of Silicon Carbide Properties

Du måste känna till tunnteorin: hur mycket vatten en hink kan hålla beror på den kortaste biten av trä. För dem som forskar är bara en punkt bra; För applikationer måste den övergripande prestandan alltid beaktas och hitta den mest lämpliga för marknaden. Olika kiselkarbidegenskaper är praktiska för att möta olika krav. Mer specifik information om kiselkarbidegenskaper, se1.11 MATERIALEGENSKAPER AV KILIKONpå Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-XIAMEN).

Enligt bandgapet,halvledarmaterialdelas in i första generationens halvledare, andra generationens halvledare och tredje generationens halvledare. Materialet innefattar bandgap, bandgapstyp, nedbrytningsfältstyrka, elektronmobilitet, hålmobilitet, mättad elektrondrivhastighet, värmeledningsförmåga, dielektrisk konstant, hårdhet och andra egenskaper.

Men vad marknaden behöver är inte fastigheterna. Marknaden behöver verkligen enheter med högsta frekvensprestanda, som omformaren, snarare än prestanda för halvledarmaterial. Men egenskaperna i kiselkarbid är grunden för att förverkliga prestanda hos elektroniska kretsenheter. Du kan kombinera förhållandet mellan efterfrågan och prestanda för att få det slutliga material som behövs. Det är värt att notera att egenskaperna för kiselkarbidskivor kan påverka prestandan hos flera enheter; på liknande sätt kräver förverkligandet av prestandan hos en anordning också tillfredsställelsen av prestandan hos flera material.

Till exempel, om energibandets struktur är ett direkt bandgap, är sannolikheten för att elektroner övergår från en hög energinivå till en låg energinivå för att avge ljus större, snarare än att förvandlas till värme, vilket är mer lämpligt för lysdioder eller lasrar som arbetsmaterial. Med hög värmeledningsförmåga, vilket innebär samma värmeproduktion, kan materialet snabbt leda värme till omgivningen.

För att specifikt introducera kiselkarbidegenskaper börjar vi från analysen av enhetens krav. Det finns en enkel modell för att beskriva kraven: fler enheter, hög effektivitet, bra teknik och kostnadsbesparing.

  1. Fler enheter: enheterna ska vara tillräckligt små, så att det finns tillräckligt med enheter;
  2. Hög effektivitet: tekniken kan realiseras i tid;
  3. Bra teknik: tekniken kan möta marknadens krav och det finns tillräckligt med delmarknader. De specifika kraven i denna punkt är som de fyra huvudkraven för laddaren: liten storlek, snabb laddning, låg förlust och säkerhet;
  4. Kostnadsbesparing: kostnaden är tillräckligt låg, så att vinsten kan stödja företagets kontinuerliga utveckling.

1. SiC MOSFETs Ersätt Si IGBTs Baesd vid analys av kiselkarbidegenskaper

Varför använda SiC MOSFET för att ersätta Si IGBT för enheter? Orsaker kommer att förklaras genom kiselkarbidegenskaper på den enkla modellen enligt följande.

1.1 Bra teknik

För kraftomvandlare måste frekvenskraven och tåla spänningskraven uppfyllas och standarden att uppfylla är förlust. Halvledaranordningen fungerar i växlingstillstånd, det vill säga den är antingen på eller av. Den ideala spännings- och strömvågformen visas i bilden till vänster nedan. Strömmen strömmar i på-tillståndet, spänningsfallet är 0 och strömmen i av-tillståndet är noll.

Men i själva verket finns det fyra typer av förluster som visas nedan:

* Det finns läckström IL när den stängs av, vilket också ger förlust utanför tillståndet;

* Vid på- och avstängningsprocessen behöver spänningen och strömmen en viss tid för att förändras, vilket är kopplingstiden. Spänningen och strömmen överlappar varandra under omkopplingsprocessen, vilket resulterar i kopplingsförluster.

* När kretsen är påslagen är spänningen inte noll och det finns ett visst mättnadsspänningsfall VF. I detta ögonblick, enligt kraftformeln W = Uit, finns det en statlig förlust;

* Samma kopplingsförlust avbryts vid denna tidpunkt, vilket motsvarar avbrytningsförlust.

fyra typer av förluster

Förlust = statisk förlust + omkopplingsförlust. Statisk förlust = förlust på plats + förlust utanför tillståndet; kopplingsförlust / dynamisk förlust = ledningsförlust + avstängningsförlust.

I allmänhet är off-state-förlusten extremt liten, så det finns ingen anledning att överväga det. Eftersom användningsläget är fixerat är enhetsprestandan som bestämmer förlusten i tillståndet mättnadsspänningsfallet, och kiselkarbidens elektriska egenskaper i enheterna som bestämmer omkopplingsförlusten är omkopplingstiden.

Som visas i figuren nedan, när växelfrekvensen stiger, måste tiden för påslagning och avstängning vara kortare, och andelen av tillståndsförlusten i den totala förlusten minskar också ständigt; kopplingsförlusten - antalet omkopplingstider ökar, vilket gör att den totala kopplingstiden stiger. Det är elektronmobiliteten som bestämmer högfrekventa driftsprestanda under lågspänningsförhållanden, och mättnadsdrivhastigheten bestämmer högfrekvent driftsprestanda under högspänningsförhållanden.

omkopplingstid påverkar förlusten - kiselkarbidegenskaper

När Si MOSFETs kommer till marknaden möter de direkt marknadens efterfrågan på lågfrekvens och lågspänning. Det finns emellertid ett problem i Si MOSFET: om kapaciteten för motståndsspänning ska förbättras måste chipet vara tjockare i enlighet därmed, vilket resulterar i hög strömförlust. Det vill säga, motståndsspänningen fördubblas och motståndet kommer att vara 5 till 6 gånger än originalet. Därför är högspänning Si MOSFET on-state förlust mycket stor, vilket begränsar tillämpningen av MOSFET vid högspänningstillfällen. Det är anledningen till att Si IGBT-strukturen (isolerad bipolär transistor) föreslås för att förbättra spänningsmotståndet hos Si MOSFET.

Jämfört med MOSFET har IGBT ett extra lager av P-dopat lager som omvandlas till en bipolär enhet. Dess konduktansmoduleringseffekt kan avsevärt minska motståndet, så högspännings-IGBT kan fortfarande upprätthålla ett relativt lågt spänningsfall, vilket därigenom minskar strömförlusten avsevärt. Konduktansmodulationseffekten har dock både positiva och negativa sidor. När de stängs av måste minoritetsbärare rekombineras naturligt, och det finns inget externt elektriskt fält i denna process, vilket leder till förekomsten av strömavskiljning. Kopplingsförlusten är mycket stor, vilket begränsar IGBT: s applikationer i högfrekventa applikationer. I allmänhet kan driftsfrekvensen bara ligga på några kHz.

Införandet av kristall av kiselkarbidegenskaper har förbättrat MOSFEETs spänningsmotstånd från en annan riktning. Eftersom nedbrytningsfältet för SiC är starkt kommer chipet att vara mycket tunt under den höga motståndsspänningen. Uppdelningsfältets styrka är relaterad till bandgapens bredd. I allmänhet är halvledare med bredbandsspalt mer motståndskraftiga än Si. Och denna tunnhet minskar också motståndet och övervinner därmed bristen på stora omkopplingsförluster hos IGBT.

Enheter och material Låg spänning <300V Högspänning 300-900V Ultra hög spänning > 900V
Låg omkopplingsfrekvens 10 kHz Si Trench Si SJ Si IGBT Si IGBT
Sic
Medium omkopplingsfrekvens 100 kHz Si Trench Sic
GaN GaN Sic
Hög omkopplingsfrekvens GaN GaN Sic Sic

 

Därför kan kiselkarbidegenskaper hjälpa anordningarna att uppnå högre dopningskoncentration och tunnare anordningar, vilket ger en relativt låg motståndskraft under förhållandet med hög motståndsspänning.

1.2 Fler enheter

Fördelen med SiC-skivor är inte bara minskade ledningsförluster. För strömbrytare måste vi fokusera på värme och värmeavledning. De termiska egenskaperna för kiselkarbid är stora, så SiC-skivans värmeavledning blir lättare att uppnå. Detta minskar kraftigt användningen av kylkomponenter, tillsammans med en tunnare struktur, vilket främjar miniatyriseringen av enheten. Detta gör att SiC-wafersubstrat dominerar i applikationer med hög effekt. När effekten är lite lägre har GaN högre elektronmobilitet, så det kan ha högre omkopplingshastighet än SiC eller Si. I lågeffektiva högfrekventa applikationer har GaN fördelar.

1.3 Hög effektivitet

Med utvecklingen av SiC-teknik kan SiC MOSFET ersätta vissa Si IGBT i situationen att effekten ligger mellan 100kW-10MW och arbetsfrekvensen är mellan 10kHz-100MHz. Speciellt för vissa applikationer kräver de hög energieffektivitet och rymdstorlek, såsom laddare och elektriska drivsystem, laddstaplar, solcellsmikro-omformare, höghastighetståg, smarta nät och strömförsörjningar av industriell kvalitet.

1.4 Kostnadsbesparing

Kostnadsbesparingar beror på priset på hela enheten, inte priset på en komponent. Priset på SiC-produkter är 5-6 gånger priset på Si-produkterna och sjunker med en hastighet på 10% per år. Med utbyggnaden av material och anordningar uppströms kommer marknadsutbudet att öka under de närmaste 2 till 3 åren och priset kommer att sjunka ytterligare. Det uppskattas att när priset når 2 ~ 3 gånger för motsvarande Si-produkt, kommer fördelarna med minskade systemkostnader och förbättrad prestanda att främja kiselkarbidanordningar att gradvis ockupera marknaden för kiselanordningar.

Flera indikatorer som SiC MOSFETs måste uppfylla:

Egenskaper för kiselkarbid på MOSFET Fasthet och produktionsstabilitet
Statiska egenskaper Tröskelspänning
Portoxid tillförlitlighet
Kortslutningsförmåga
Dynamiska egenskaper Enkel användning
Chipproduktionsstabilitet
mer

2. Varför inte använda SiC Wafer som IGBT?

Nu kan MOSFET på kiselkarbidegenskaper kristall uppnå 6 kV motståndsspänning, som redan kan täcka den nuvarande motståndsspänningsnivån för Si IGBT. Chipstrukturen i MOSFET är enklare än IGBT. Det finns alltså inget behov av att använda kiselkarbid i stor skala för att göra IGBT, vilket kommer att slösa bort kostnaden. Nu finns det bara ett fåtal tillfällen som använder 10kV-nivå högtåliga spänningsomkopplare, till exempel vissa omvandlarstationer och dragstationer.

För mer information, kontakta oss via e-post på victorchan@powerwaywafer.com och powerwaymaterial@gmail.com.

Dela det här inlägget