Halvlederenheder af siliciumkarbid revolutionerer effektelektronikken, ifølge markedsanalysefirmaet Yole Development. Desuden er deres vækst på markedet for effekthalvlederenheder hurtig. SiC er en uorganisk forbindelse, der består af lag eller polytyper. Når det dopes med urenheder som aluminium, bor og gallium, bliver det et effektivt halvledermateriale.
Bredt båndgab
Siliciumcarbid (SiC) er en ekstremt hård syntetisk krystallinsk forbindelse af silicium og kulstof, der længe har været brugt som slibemiddel til sandpapir, slibeskiver, skæreværktøjer og industrielle ovnforinger, siden det blev opfundet i slutningen af det 19. århundrede. Desuden fungerer SiC som et fremragende halvledersubstratmateriale, der bruges til lysdioder (LED).
Effekthalvledere fremstillet af SiC kan håndtere højere spændinger end enheder fremstillet af traditionelt silicium, hvilket fører til mindre og lettere komponenter og reducerede produktionsomkostninger for producenterne. Desuden giver SiC's højere temperaturer mulighed for enklere, men mere pålidelige systemer, der kan fungere i barske miljøer.
Siliciumcarbid skiller sig ud som en top performer takket være sit bredere båndgab, som gør det muligt at lede strøm mere effektivt end almindelige halvledermaterialer som silicium. Materialer med bredt båndgab har også højere temperaturtolerance, højere spændingspotentialer og kan understøtte højere frekvenser end deres siliciumbaserede modstykker.
Høj nedbrydningsspænding
Halvledere af siliciumkarbid (SiC) har fået stor opmærksomhed på grund af deres evne til at modstå højere spændinger og temperaturer end traditionelle siliciumhalvledere, samtidig med at de hjælper elektroniske enheder med at reducere effekttab og koblingstab, to vigtige aspekter af elektroniske enheders ydeevne.
Market Research Future vurderer, at omsætningen på markedet for effekthalvledere vil opleve en årlig sammensat vækst på mere end 10% i løbet af de næste fem år på grund af stigende efterspørgsel efter elektriske køretøjer (EV), vedvarende energikilder (RE) og 5G-teknologi - hvilket driver efterspørgslen efter avancerede effektelektronikteknologier med større ydeevne og højere effektivitet, samtidig med at de forbliver kompakte i størrelse.
SiC-halvledere har en høj gennembrudsspænding, hvilket gør dem perfekte til applikationer inden for effektelektronik. Deres elektriske egenskaber overgår langt siliciums og galliumnitrids, hvilket gør SiC velegnet til højspændingssystemer på over 1000 V. Deres spændingsmodstand er betydeligt lavere end siliciums; galliumnitrid klarer sig dårligt sammenlignet med det.
Siliciumcarbid, der består af kulstof og silicium, findes i rigelige mængder i naturen, men kun sporadiske mængder forekommer naturligt på jorden i meteoritter eller klippeaflejringer. Det kan dog fremstilles syntetisk ganske let til industrielle slibemidler i løbet af det sidste århundrede.
Høj varmeledningsevne
Den fremragende varmeledningsevne i siliciumcarbidkeramik gør det til et fremragende materialevalg til effekthalvlederenheder. Dets evne til at sprede varmen væk fra enhederne hjælper med at reducere kredsløbstemperaturerne, hvilket øger effektiviteten og pålideligheden, mens den højere blokeringsspænding hjælper yderligere på enhedens ydeevne.
Siliciumcarbid (SiC) er en forbindelse, der består af silicium og kulstof, og som har et usædvanligt bredt båndgab, der gør det muligt at lede elektricitet ved højere frekvenser end almindelige siliciumhalvledere, højere spændinger og hurtigere skiftehastigheder end deres siliciumbaserede modstykker. Alle disse egenskaber gør SiC til et fremragende materialevalg til applikationer, der kræver maksimal ydeevne ved forskellige temperaturer.
Siliciumcarbid skiller sig ud blandt keramiske materialer ved at kunne modstå ekstreme temperaturer uden at lide af styrketab eller kemisk ustabilitet, ved at have lave varmeudvidelseshastigheder og ved at være modstandsdygtigt over for syrer og lud. Desuden gør dets høje Young's modulus det velegnet til konstruktionsformål.
Goldman Sachs offentliggjorde for nylig en rapport, der antyder, at siliciumcarbid kan gøre det muligt for elbiler at blive mere energieffektive og oplade hurtigere, hvilket udvider deres markedspotentiale betydeligt. Desuden kan siliciumcarbid forbedre batteritætheden ved at mindske energitab og antallet af komponenter - hvilket fører til større effekttæthed med færre komponenter.
Fremragende elektrisk ledningsevne
Siliciumcarbid (SiC) er i ren tilstand en elektrisk isolator, men når det dopes med urenheder under kontrollerede omstændigheder, kan det få halvledende egenskaber, der gør det muligt for strøm at passere mere frit gennem det. Denne proces er kendt som doping. Doping skaber frie ladningsbærere, som gør det muligt for strømmen at flyde mere frit gennem materialet.
SiC's evne til at tolerere højere spændinger betyder, at systemer, der er designet med det, kræver færre kondensatorer og lagringsinduktorer, hvilket reducerer systemets designkompleksitet og forbedrer pålideligheden samt hjælper med at reducere størrelse/vægt/omkostningsovervejelser for strømkomponenter og i sidste ende fører til reducerede systemomkostninger.
SiC's højspændingsegenskaber gør det muligt for invertere til biler at arbejde ved højere skiftefrekvenser end traditionelle invertere, hvilket optimerer batteriets effektivitet og øger rækkevidden for elektriske køretøjer. Desuden kræver øgede skiftefrekvenser mindre passiver og kølekrav, hvilket resulterer i reduceret systemkompleksitet og omkostninger.
SiC er et nøgleelement i moderne elektronik, fra smartphones til datacentre. På grund af sin hårdhed, styrke og evne til at modstå miljøer med høje temperaturer har SiC længe været brugt som industrielt materiale i forskellige applikationer, herunder slibemidler som sandpapir og slibeskiver, keramiske plader til skudsikre veste samt i slibeprodukter som sandpapir.
Fremragende modstandsdygtighed over for termisk chok
Siliciumcarbidkeramik er et ekstremt hårdt og stærkt keramisk materiale med overlegen modstandsdygtighed over for termisk chok og høje temperaturer uden at miste styrke på grund af dets unikke gitterstruktur og egenskaber. SiC har en usædvanlig primær koordinationstetraeder-krystalstruktur bestående af kulstof- og siliciumatomer, der danner stærke bindinger i krystalrammen, hvilket resulterer i betydelig hårdhed, styrke, lav densitet, elastisk modul, inerti og termisk udvidelse; lav termisk udvidelse samt god varmeledningsevne er blandt dets egenskaber.
Siliciumcarbid findes naturligt som moissanit i små mængder i meteoritter og kimberlit, men fremstilles oftest syntetisk gennem enten reaktionsbinding eller sintringsprocesser. Produktionsmetoden har ofte en betydelig effekt på mikrostrukturen og slutprodukternes modstandsdygtighed over for termisk chok.
Siliciumcarbidbaserede effekthalvledere kan modstå meget højere spændinger end deres modstykker af silicium, hvilket gør dem velegnede til brug i krævende applikationer som effektelektronik til elektriske køretøjer. Deres bredere båndgab giver mulighed for højere energieffektivitet og hurtigere skift mellem ledende og isolerende tilstande end silicium (Wolfspeed). Som følge heraf indeholder elsystemer fremstillet med siliciumcarbid færre komponenter i serie med reducerede pladskrav - hvilket øger systemets pålidelighed og samtidig reducerer omkostningerne for producenterne.
Høj styrke
Siliciumcarbid er et af verdens stærkeste menneskeskabte materialer og har en overlegen styrke selv ved meget høje temperaturer. Det gør det muligt for enheder, der er fremstillet af det, at fungere ved højere spændinger og temperaturer end deres modstykker af silicium, hvilket øger effekttætheden og forbedrer ydeevnen. Desuden mindsker siliciumkarbidens modstandsdygtighed over for termiske stød risikoen for, at enheder går i stykker på grund af overophedning, samtidig med at enhedens pålidelighed øges.
Siliciumcarbid (SiC) er et kompliceret krystallinsk materiale med adskillige polytyper, der er kendetegnet ved forskellige arrangementer af dets atomer og et udvalg af stablingssekvenser og -former. Kubisk SiC er den mest udbredte polytype, som består af kulstof- og siliciumatomer, der er bundet sammen i tetraedriske strukturer. Det er muligt at fremstille hexagonalt og rhomboedrisk SiC, men deres udbytte begrænser deres anvendelse.
Siliciumcarbid blev først syntetiseret kunstigt af Edward Acheson i 1891 ud fra en smelte af silicium og kulstof. Senere blev det opdaget naturligt af Henri Moissan i 1905 i Canyon Diablo-meteoritten i Arizona, hvor det siden har fået navnet moissanit. I dag er det meste siliciumcarbid, der produceres, syntetisk, mens kun små mængder forekommer naturligt i visse meteoritter, korundaflejringer eller kimberlitkilder.
Lav tæthed
SiC's lave tæthed gør det muligt at stable flere komponenter sammen i et elektrisk system, hvilket mindsker deres størrelse og vægt, samtidig med at energieffektiviteten og pålideligheden forbedres, og producenternes systemomkostninger falder. Desuden giver SiC mulighed for højere skiftefrekvenser, der øger enhedens pålidelighed, samtidig med at strømtabet mindskes.
Siliciumcarbid fremstilles som et pulver af reaktionsbundet silicium og kulstof i elektriske ovne eller dyrkes fra store enkeltkrystaller gennem kemisk dampudfældning. Siliciumcarbid kan bruges som industrielt slibemiddel og tjener mange andre formål i industrier som bil-, rumfarts- og medicinindustrien. Desuden anvendes siliciumcarbid ofte i halvlederenheder som ensrettere og transistorer.
Siliciumcarbid har oplevet en voldsom stigning i interessen i de seneste år, hvilket har skabt et guldrush blandt investorerne. Market Research Future rapporterer, at SiC-enheder, der bruges i elektriske køretøjer (EV'er), vil skubbe den globale omsætning på markedet for effekthalvledere op over $1 mia. på verdensplan i 2022; brugen af det kan hjælpe med at forbedre køretøjets rækkevidde og muliggøre hurtigere opladningstider, mens det fungerer ved højere spændinger og temperaturer end det, der kan udfordre nuværende elektroniske systemer.