Silisiumkarbid: En gamechanger for halvlederkomponenter

Halvlederkomponenter av silisiumkarbid er i ferd med å revolusjonere kraftelektronikken, ifølge markedsanalysefirmaet Yole Development. Veksten i markedet for halvlederkomponenter til kraftelektronikk er dessuten rask. SiC er en uorganisk forbindelse som består av lag, eller polytyper. Når det dopes med urenheter som aluminium, bor og gallium, blir det et effektivt halvledermateriale.

Bredt båndgap

Silisiumkarbid (SiC) er en ekstremt hard syntetisk krystallinsk forbindelse av silisium og karbon som lenge har vært brukt som slipemiddel i sandpapir, slipeskiver, skjæreverktøy og industriovnsforinger, helt siden det ble oppfunnet på slutten av 1800-tallet. SiC er dessuten et utmerket halvledersubstratmateriale som brukes til lysdioder (LED).

Krafthalvledere laget av SiC kan håndtere høyere spenninger enn enheter laget av tradisjonelt silisium, noe som fører til mindre og lettere komponenter og reduserte produksjonskostnader for produsentene. SiCs høyere temperaturklassifiseringer gir dessuten enklere, men mer pålitelige systemer som kan fungere i tøffe miljøer.

Silisiumkarbid skiller seg ut som et av de beste materialene takket være det bredere båndgapet, som gjør at det kan lede strøm mer effektivt enn vanlige halvledermaterialer som silisium. Materialer med bredt båndgap har også høyere temperaturtoleranse, høyere spenningspotensialer og kan støtte høyere frekvenser enn sine silisiumbaserte motstykker.

Høy gjennomslagsspenning

Halvledere av silisiumkarbid (SiC) har fått stor oppmerksomhet på grunn av sin evne til å tåle høyere spenninger og temperaturer enn tradisjonelle silisiumhalvledere, samtidig som de hjelper elektroniske enheter med å redusere effekttap og koblingstap, to viktige aspekter ved ytelsen til elektroniske enheter.

Market Research Future anslår at omsetningen i markedet for krafthalvledere vil oppleve en årlig sammensatt vekst på mer enn 10% i løpet av de neste fem årene på grunn av økende etterspørsel etter elbiler, fornybare energikilder og 5G-teknologi - noe som driver etterspørselen etter avanserte kraftelektronikk-teknologier med bedre ytelse og høyere effektivitet, samtidig som de er kompakte i størrelse.

SiC-halvledere har en høy gjennomslagsspenning, noe som gjør dem perfekte for kraftelektronikk. De elektriske egenskapene er langt bedre enn for silisium og galliumnitrid, noe som gjør SiC egnet for høyspenningssystemer på over 1000 V. Spenningsmotstanden er betydelig lavere enn for silisium, og galliumnitrid klarer seg dårlig sammenlignet med dette.

Silisiumkarbid, som består av karbon og silisium, finnes i rikelige mengder i naturen, men bare spormengder forekommer naturlig på jorden i meteoritter eller steinavsetninger. I løpet av det siste århundret har det imidlertid vært ganske enkelt å fremstille syntetisk silisiumkarbid til industrielle slipemidler.

Høy varmeledningsevne

Den utmerkede varmeledningsevnen til silisiumkarbidkeramikk gjør det til et utmerket materialvalg for krafthalvlederkomponenter. Materialets evne til å lede varmen bort fra enhetene bidrar til å redusere kretstemperaturene, noe som øker effektiviteten og påliteligheten, samtidig som den høyere blokkeringsspenningen bidrar til å øke enhetens ytelse ytterligere.

Silisiumkarbid (SiC) er en forbindelse som består av silisium og karbon, og som har et uvanlig bredt båndgap som gjør det mulig å lede strøm ved høyere frekvenser enn vanlige silisiumhalvledere, høyere spenninger og raskere koblingshastigheter enn deres silisiumbaserte motstykker. Alle disse egenskapene gjør SiC til et utmerket materialvalg for applikasjoner som krever maksimal ytelse ved ulike temperaturer.

Silisiumkarbid skiller seg ut blant keramiske materialer ved at det tåler ekstreme temperaturer uten å miste styrke eller bli kjemisk ustabilt, har lave varmeutvidelseshastigheter og er motstandsdyktig mot syrer og lut. Den høye Young-modulen gjør det dessuten velegnet til konstruksjonsformål.

Goldman Sachs publiserte nylig en rapport som antyder at silisiumkarbid kan gjøre det mulig å gjøre elbiler mer energieffektive og raskere å lade, og dermed utvide markedspotensialet betydelig. Videre kan silisiumkarbid forbedre batteritettheten ved å redusere energitap og antall komponenter - noe som fører til større effekttetthet med færre komponenter.

Utmerket elektrisk ledningsevne

Silisiumkarbid (SiC) er i ren tilstand en elektrisk isolator, men når det dopes med urenheter under kontrollerte omstendigheter, kan det få halvledende egenskaper som gjør at strømmen kan passere friere gjennom det. Denne prosessen kalles doping. Doping skaper frie ladningsbærere som gjør at strømmen kan flyte friere gjennom materialet.

SiCs evne til å tolerere høyere spenninger betyr at systemer som er konstruert med SiC, krever færre kondensatorer og lagringsinduktorer, noe som reduserer kompleksiteten i systemdesignet og forbedrer påliteligheten, samtidig som det bidrar til å redusere størrelsen/vekten/kostnaden på kraftkomponenter, noe som i siste instans fører til reduserte systemkostnader.

SiCs høyspenningsegenskaper gjør det mulig for omformere i biler å operere med høyere koblingsfrekvenser enn tradisjonelle omformere, noe som optimaliserer batteriets effektivitet og øker rekkevidden for elektriske kjøretøy. I tillegg krever høyere koblingsfrekvenser mindre passiver og kjølebehov, noe som reduserer systemkompleksiteten og -kostnadene.

SiC er et nøkkelelement i moderne elektronikk, fra smarttelefoner til datasentre. På grunn av sin hardhet, styrke og evne til å motstå høye temperaturer har SiC lenge vært brukt som industrielt materiale i blant annet slipemidler som sandpapir og slipeskiver, keramiske plater til skuddsikre vester samt i slipeprodukter som sandpapir.

Utmerket motstand mot termisk sjokk

Silisiumkarbidkeramikk er et ekstremt hardt og sterkt keramisk materiale med overlegen motstand mot termisk sjokk og høye temperaturer uten å miste styrke på grunn av sin unike gitterstruktur og egenskaper. SiC har en uvanlig primærkoordinerende tetraeder-krystallstruktur bestående av karbon- og silisiumatomer som danner sterke bindinger i krystallgitteret, noe som resulterer i betydelig hardhet, styrke, lav tetthet, elastisitetsmodul, inertitet og termisk ekspansjon; lav termisk ekspansjon og god varmeledningsevne er blant egenskapene.

Silisiumkarbid finnes naturlig som moissanitt i små mengder i meteoritter og kimberlitt, men produseres oftest syntetisk gjennom enten reaksjonsbinding eller sintringsprosesser. Produksjonsmetoden har ofte en betydelig effekt på mikrostrukturen og sluttproduktets motstand mot termisk sjokk.

Krafthalvledere basert på silisiumkarbid tåler mye høyere spenninger enn sine motstykker i silisium, noe som gjør dem egnet til bruk i krevende applikasjoner som kraftelektronikk for elektriske kjøretøy. Det bredere båndgapet gir høyere energieffektivitet og raskere veksling mellom ledende og isolerende tilstander enn silisium (Wolfspeed). Resultatet er at kraftsystemer laget med silisiumkarbid inneholder færre komponenter i serie med redusert plassbehov - noe som øker systemets pålitelighet og samtidig reduserer kostnadene for produsentene.

Høy styrke

Silisiumkarbid er et av verdens sterkeste menneskeskapte materialer, med overlegen styrke selv ved svært høye temperaturer. Dette gjør at enheter som er laget av silisiumkarbid, kan operere ved høyere spenninger og temperaturer enn tilsvarende enheter av silisium, noe som øker effekttettheten og forbedrer ytelsen. Silisiumkarbid er dessuten motstandsdyktig mot termiske støt, noe som reduserer risikoen for feil på grunn av overoppheting og øker påliteligheten til enhetene.

Silisiumkarbid (SiC) er et komplisert krystallinsk materiale med en rekke polytyper som kjennetegnes av ulike arrangementer av atomene og en rekke ulike stablingssekvenser og -former. Kubisk SiC er den mest utbredte polytypen, som består av karbon- og silisiumatomer sammenføyd i tetraedriske strukturer. Det er mulig å produsere heksagonal og romboedrisk SiC, men utbyttet begrenser bruken av dem.

Silisiumkarbid ble først syntetisert kunstig av Edward Acheson i 1891 ut fra en smelte av silisium og karbon. Senere ble det oppdaget naturlig av Henri Moissan i 1905 i Canyon Diablo-meteoritten i Arizona, der det siden har fått navnet moissanitt. I dag er det meste av silisiumkarbidet som produseres syntetisk, mens bare små mengder forekommer naturlig i visse meteoritter, korundforekomster eller kimberlittkilder.

Lav tetthet

SiCs lave tetthet gjør at flere komponenter kan stables sammen i et elektrisk system, noe som reduserer størrelsen og vekten, samtidig som energieffektiviteten og påliteligheten forbedres og systemkostnadene for produsentene reduseres. SiC muliggjør dessuten høyere koblingsfrekvenser, noe som øker enhetens pålitelighet og reduserer effekttapet.

Silisiumkarbid produseres som pulver fra reaksjonsbundet silisium og karbon i elektriske ovner, eller dyrkes frem fra store enkeltkrystaller ved hjelp av kjemisk dampavsetning. Silisiumkarbid kan brukes som slipemiddel i industrien, og det har også mange andre bruksområder, blant annet i bil-, romfarts- og medisinindustrien. I tillegg brukes silisiumkarbid ofte i halvlederkomponenter som likerettere og transistorer.

Silisiumkarbid har opplevd en kraftig økning i interessen de siste årene, noe som har skapt et gullrush blant investorer. Market Research Future rapporterer at SiC-enheter som brukes i elektriske kjøretøy (EVs), vil øke de globale markedsinntektene for krafthalvledere til over $1 milliard på verdensbasis innen 2022. Bruken av SiC kan bidra til å forbedre rekkevidden til kjøretøyene og muliggjøre raskere ladetider, samtidig som de opererer ved høyere spenninger og temperaturer enn det som kan utfordre dagens elektronikksystemer.