Piikarbidi: Puolijohdekomponenttien pelimuutos

Piikarbidipuolijohdekomponentit mullistavat tehoelektroniikan, arvioi markkinatutkimusyritys Yole Development. Lisäksi niiden kasvu tehopuolijohdekomponenttien markkinoilla on nopeaa. SiC on epäorgaaninen yhdiste, joka koostuu kerroksista eli polytyypeistä. Kun sitä seostetaan epäpuhtauksilla, kuten alumiinilla, boorilla ja galliumilla, siitä tulee tehokas puolijohdemateriaali.

Laaja kaistaleveys

Piikarbidi (SiC) on erittäin kova synteettinen kiteinen pii- ja hiiliyhdiste, jota on jo pitkään käytetty hioma-aineena hiekkapaperissa, hiomalaikoissa, leikkuutyökaluissa ja teollisuuden uunien vuorauksissa 1800-luvun loppupuolella tehdystä keksinnöstä lähtien. Lisäksi SiC toimii erinomaisena puolijohdealustamateriaalina, jota käytetään valodiodien (LED) valmistuksessa.

SiC:stä valmistetut tehopuolijohteet kestävät suurempia jännitteitä kuin perinteisestä piistä valmistetut laitteet, mikä johtaa pienempiin ja kevyempiin komponentteihin ja pienempiin valmistuskustannuksiin valmistajille. Lisäksi SiC:n korkeammat lämpötilaluokitukset mahdollistavat yksinkertaisemmat mutta luotettavammat järjestelmät, jotka pystyvät toimimaan vaativissa olosuhteissa.

Piikarbidi erottuu edukseen laajemman kaistanleveytensä ansiosta, jonka ansiosta se johtaa virtaa tehokkaammin kuin tavalliset puolijohdemateriaalit, kuten pii. Laajakaistaisilla materiaaleilla on myös parempi lämpötilan sietokyky, korkeammat jännitepotentiaalit ja ne kestävät korkeampia taajuuksia kuin piipohjaiset kollegansa.

Korkea läpilyöntijännite

Piikarbidipuolijohteet (SiC) ovat saaneet paljon huomiota, koska ne kestävät perinteisiä piipuolijohteita korkeampia jännitteitä ja lämpötiloja ja auttavat samalla elektronisia laitteita vähentämään teho- ja kytkentähäviöitä, jotka ovat kaksi elektronisten laitteiden suorituskyvyn kannalta tärkeää tekijää.

Market Research Future arvioi, että tehopuolijohdemarkkinoiden tulot kasvavat seuraavan viiden vuoden aikana yli 10%:n vuotuisen yhdistetyn kasvun ansiosta, koska sähköajoneuvojen (EV), uusiutuvien energialähteiden (RE) ja 5G-teknologian kysyntä kasvaa. Tämä lisää kysyntää kehittyneille tehoelektroniikkateknologioille, joilla on suurempi suorituskyky ja hyötysuhde ja jotka ovat samalla pienikokoisia.

SiC-puolijohteilla on korkea läpilyöntijännite, joten ne soveltuvat erinomaisesti tehoelektroniikan sovelluksiin. Niiden sähköiset ominaisuudet ylittävät reilusti piin ja galliumnitridin ominaisuudet, joten SiC soveltuu yli 1000 V:n suurjännitejärjestelmiin. Niiden jännitekestävyys on huomattavasti pienempi kuin piin; galliumnitridi toimii siihen verrattuna huonosti.

Hiilestä ja piistä koostuvaa piikarbidia esiintyy luonnossa runsaasti, mutta maapallolla sitä esiintyy luonnossa vain pieniä määriä meteoriiteissa tai kiviesiintymissä. Sitä voidaan kuitenkin valmistaa synteettisesti melko helposti teollisia hioma-aineita varten viime vuosisadalla.

Korkea lämmönjohtavuus

Piikarbidikeraamisen piikarbidin erinomainen lämmönjohtavuus tekee siitä erinomaisen materiaalivalinnan tehopuolijohdekomponentteihin. Sen kyky hajottaa lämpöä pois laitteista auttaa alentamaan piirien lämpötiloja, mikä lisää tehokkuutta ja luotettavuutta, kun taas sen korkeampi estojännite parantaa entisestään laitteen suorituskykyä.

Piikarbidi (SiC) on piistä ja hiilestä koostuva yhdiste, jolla on epätavallisen leveä kaistaläpimitta, jonka ansiosta se pystyy johtamaan sähköä korkeammilla taajuuksilla kuin tavalliset piipohjaiset puolijohteet, korkeammilla jännitteillä ja nopeammilla kytkentänopeuksilla kuin piipohjaiset vastineensa. Kaikki nämä ominaisuudet tekevät SiC:stä erinomaisen materiaalivalinnan sovelluksiin, joissa vaaditaan maksimaalista suorituskykyä eri lämpötiloissa.

Piikarbidi erottuu keraamisten materiaalien joukosta siten, että se kestää äärimmäisiä lämpötiloja ilman lujuuden heikkenemistä tai kemiallista epävakautta, sillä sen lämpölaajenemisnopeus on alhainen ja se kestää happoja ja lipeää. Lisäksi sen korkea Youngin moduuli tekee siitä sopivan rakennussovelluksiin.

Goldman Sachs julkaisi hiljattain raportin, jonka mukaan piikarbidi voi mahdollistaa sähköajoneuvojen energiatehokkuuden parantamisen ja nopeamman latauksen, mikä laajentaa merkittävästi niiden markkinapotentiaalia. Lisäksi piikarbidi voi parantaa akkujen tiheyttä vähentämällä energiahäviöitä ja komponenttien määrää, mikä johtaa suurempaan tehotiheyteen pienemmällä komponenttien määrällä.

Erinomainen sähkönjohtavuus

Piikarbidi (SiC) on puhtaassa tilassaan sähköeriste, mutta kun sitä seostetaan epäpuhtauksilla kontrolloiduissa olosuhteissa, se voi saada puolijohtavia ominaisuuksia, joiden ansiosta virta kulkee sen läpi vapaammin. Tätä prosessia kutsutaan seostamiseksi. Doping luo vapaita varauksenkuljettajia, joiden ansiosta virta kulkee vapaammin materiaalissa.

SiC:n kyky sietää korkeampia jännitteitä tarkoittaa, että sen avulla suunnitellut järjestelmät vaativat vähemmän kondensaattoreita ja varastointi-induktoreja, mikä vähentää järjestelmäsuunnittelun monimutkaisuutta ja parantaa samalla luotettavuutta sekä auttaa vähentämään tehokomponenttien koko-/paino-/kustannusnäkökohtia, mikä johtaa viime kädessä järjestelmäkustannusten alenemiseen.

SiC:n korkeajänniteominaisuuksien ansiosta autojen invertterit voivat toimia perinteisiä inverttereitä korkeammilla kytkentätaajuuksilla, mikä optimoi akun hyötysuhteen ja lisää sähköajoneuvojen toimintasädettä. Lisäksi suuremmat kytkentätaajuudet edellyttävät pienempiä passiivisia osia ja pienempiä jäähdytysvaatimuksia, mikä vähentää järjestelmän monimutkaisuutta ja kustannuksia.

SiC on keskeinen osa nykyaikaista elektroniikkaa älypuhelimista datakeskuksiin. Kovuutensa, lujuutensa ja korkean lämpötilan kestokykynsä ansiosta SiC:tä on jo pitkään käytetty teollisuusmateriaalina erilaisissa sovelluksissa, kuten hioma-aineissa, kuten hiekkapaperissa ja hiomalaikoissa, luodinkestävien liivien keraamisissa levyissä sekä hiomatuotteissa, kuten hiekkapaperissa.

Erinomainen lämpöshokkien kestävyys

Piikarbidikeramiikka on erittäin kova ja luja keraaminen materiaali, jolla on erinomainen lämpöshokkien ja korkeiden lämpötilojen kestävyys ilman lujuuden heikkenemistä sen ainutlaatuisen ristikkorakenteen ja ominaisuuksien ansiosta. SiC:llä on epätavallinen primaarikoordinaation tetraedri-kiderakenne, joka koostuu hiili- ja piiatomeista, jotka muodostavat kiderakenteeseensa vahvoja sidoksia, mikä johtaa huomattavaan kovuuteen, lujuuteen, pieneen tiheyteen, kimmomoduuliin, inerttiuteen ja lämpölaajenemiseen; sen ominaisuuksiin kuuluvat alhainen lämpölaajeneminen ja hyvä lämmönjohtavuus.

Piikarbidia esiintyy luonnossa pieninä määrinä meteoriiteissa ja kimberliitissä, mutta useimmiten sitä tuotetaan synteettisesti joko reaktiosidonta- tai sintrausprosesseilla. Tuotantomenetelmällä on usein merkittävä vaikutus sen mikrorakenteeseen sekä lopputuotteiden lämpöshokkikestävyyteen.

Piikarbidipohjaiset tehopuolijohteet kestävät paljon suurempia jännitteitä kuin piipohjaiset puolijohteet, joten ne soveltuvat käytettäväksi vaativissa sovelluksissa, kuten sähköajoneuvojen tehoelektroniikassa. Niiden laajempi kaistanleveys mahdollistaa suuremman energiatehokkuuden ja nopeamman siirtymisen johtavien ja eristävien tilojen välillä kuin pii (Wolfspeed). Tämän seurauksena piikarbidilla valmistetuissa tehojärjestelmissä on vähemmän sarjassa olevia komponentteja ja pienemmät tilantarpeet, mikä lisää järjestelmän luotettavuutta ja alentaa valmistajien kustannuksia.

Korkea lujuus

Piikarbidi on yksi maailman vahvimmista ihmisen valmistamista materiaaleista, jolla on ylivoimainen lujuus jopa erittäin korkeissa lämpötiloissa. Tämän ansiosta siitä valmistetut laitteet voivat toimia korkeammilla jännitteillä ja lämpötiloissa kuin piistä valmistetut vastaavat laitteet, mikä lisää tehotiheyttä ja parantaa suorituskykyä. Lisäksi piikarbidin lämpöshokkia kestävät ominaisuudet vähentävät ylikuumenemisesta johtuvia laitevikariskiä ja lisäävät samalla laitteiden luotettavuutta.

Piikarbidi (SiC) on monimutkainen kiteinen materiaali, jossa on lukuisia polytyyppejä, joille on ominaista sen atomien erilaiset järjestelyt ja valikoima pinoamisjärjestyksiä ja -muotoja. Kuutiomainen SiC on yleisin polytyyppi, joka koostuu hiili- ja piiatomeista, jotka on yhdistetty tetraedrirakenteisiin. Heksagonaalisen ja rhomboedrisen SiC:n tuotanto on mahdollista, mutta niiden saanto rajoittaa niiden käyttöä.

Piikarbidia syntetisoi ensimmäisen kerran keinotekoisesti Edward Acheson vuonna 1891 piin ja hiilen sulasta. Myöhemmin Henri Moissan löysi sen luonnostaan vuonna 1905 Arizonassa sijaitsevasta Canyon Diablo -meteoriitista, jossa se on sittemmin saanut nimen moissanite. Nykyään suurin osa tuotetusta piikarbidista on synteettistä, ja vain pieniä määriä sitä esiintyy luonnossa tietyissä meteoriiteissa, korundiesiintymissä tai kimberliittilähteissä.

Pieni tiheys

SiC:n alhainen tiheys mahdollistaa useampien komponenttien kasaamisen sähköjärjestelmään, mikä pienentää niiden kokoa ja painoa ja parantaa samalla energiatehokkuutta ja luotettavuutta sekä alentaa valmistajien järjestelmäkustannuksia. Lisäksi SiC mahdollistaa korkeammat kytkentätaajuudet, jotka lisäävät laitteiden luotettavuutta ja vähentävät samalla tehohäviöitä.

Piikarbidia valmistetaan jauheena reaktiosidotusta piistä ja hiilestä sähköuunissa tai kasvatetaan suurista yksikidekimpaleista kemiallisella höyrypinnoituksella. Piikarbidia voidaan käyttää teollisena hioma-aineena sekä moniin muihin tarkoituksiin esimerkiksi autoteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa ja lääketieteessä. Lisäksi piikarbidia käytetään usein puolijohdelaitteissa, kuten tasasuuntaajissa ja transistoreissa.

Piikarbidin kiinnostus on viime vuosina kasvanut voimakkaasti, mikä on aiheuttanut sijoittajien keskuudessa kultakuumeen. Market Research Future raportoi, että sähköajoneuvoissa käytettävät SiC-laitteet nostavat tehopuolijohdemarkkinoiden maailmanlaajuiset tulot yli $1 miljardiin vuoteen 2022 mennessä; sen käyttö voi auttaa parantamaan ajoneuvojen kantamaa ja mahdollistaa nopeammat latausajat, kun ne toimivat korkeammilla jännitteillä ja lämpötiloilla kuin nykyiset elektroniikkajärjestelmät voivat haastaa.