Siliciumcarbide: Een spelwisselaar voor halfgeleiderapparaten

Siliciumcarbide halfgeleiderelementen zorgen voor een revolutie in de vermogenselektronica, volgens marktonderzoeksbureau Yole Development. Bovendien groeien ze snel op de markt voor vermogenshalfgeleiders. SiC is een anorganische verbinding die bestaat uit lagen, of polytypes. Wanneer het gedoteerd wordt met onzuiverheden zoals aluminium, boor en gallium wordt het een effectief halfgeleidermateriaal.

Brede bandkloof

Siliciumcarbide (SiC) is een extreem harde synthetische kristallijne verbinding van silicium en koolstof die sinds de uitvinding aan het eind van de 19e eeuw al lang wordt gebruikt als schuurmiddel voor schuurpapier, slijpschijven, snijgereedschappen en industriële ovenbekledingen. Bovendien is SiC een uitstekend halfgeleidersubstraat voor lichtgevende diodes (LED's).

Vermogenshalfgeleiders gemaakt van SiC kunnen hogere spanningen aan dan apparaten gemaakt van traditioneel silicium, wat leidt tot kleinere en lichtere componenten en lagere productiekosten voor fabrikanten. Bovendien zorgen de hogere temperatuurwaarden van SiC voor eenvoudigere maar betrouwbaardere systemen die onder zware omstandigheden kunnen werken.

Siliciumcarbide springt eruit als een topper dankzij zijn bredere bandkloof, waardoor het efficiënter stroom kan geleiden dan gewone halfgeleidermaterialen zoals silicium. Breedbandmaterialen hebben ook een hogere temperatuurtolerantie, hogere spanningspotentialen en kunnen hogere frequenties ondersteunen dan hun tegenhangers op siliciumbasis.

Hoge doorslagspanning

Halfgeleiders van siliciumcarbide (SiC) hebben veel aandacht gekregen omdat ze bestand zijn tegen hogere spanningen en temperaturen dan traditionele siliciumhalfgeleiders, terwijl ze elektronische apparaten ook helpen om het vermogensverlies en de schakelverliezen te verminderen, twee belangrijke aspecten van de prestaties van elektronische apparaten.

Market Research Future schat dat de inkomsten uit de markt voor vermogenshalfgeleiders de komende vijf jaar een jaarlijkse samengestelde groei van meer dan 10% zullen kennen als gevolg van de stijgende vraag naar elektrische voertuigen (EV), hernieuwbare energiebronnen (RE) en 5G-technologie - wat de vraag naar geavanceerde vermogenselektronicatechnologieën met betere prestaties en een hogere efficiëntie stimuleert, terwijl ze compact blijven in formaat.

SiC-halfgeleiders hebben een hoge doorslagspanning, waardoor ze perfect zijn voor toepassingen in de vermogenselektronica. Hun elektrische eigenschappen overtreffen die van silicium en galliumnitride ruimschoots, waardoor SiC geschikt is voor hoogspanningsystemen boven 1000V. Hun spanningsweerstand is aanzienlijk lager dan die van silicium; galliumnitride presteert er slecht mee.

Siliciumcarbide, dat bestaat uit koolstof en silicium, komt overvloedig voor in de natuur, maar van nature komen er op aarde slechts sporen voor in meteorieten of rotsafzettingen. Het kan echter vrij gemakkelijk synthetisch worden geproduceerd voor industriële schuurmiddelen in de afgelopen eeuw.

Hoge thermische geleidbaarheid

De uitstekende thermische geleidbaarheid van siliciumcarbide keramiek maakt het een uitstekende materiaalkeuze voor vermogenshalfgeleiderapparaten. Het vermogen om warmte weg te voeren van apparaten helpt de temperatuur van het circuit te verlagen, waardoor de efficiëntie en betrouwbaarheid toenemen, terwijl het hogere blokkeringsvoltage de prestaties van het apparaat verder verbetert.

Siliciumcarbide (SiC) is een verbinding van silicium en koolstof met een ongewoon brede bandkloof waardoor het elektriciteit kan geleiden bij hogere frequenties dan gewone siliciumhalfgeleiders, hogere spanningen en hogere schakelsnelheden dan hun tegenhangers op siliciumbasis. Al deze eigenschappen maken SiC tot een uitstekende materiaalkeuze voor toepassingen die maximale prestaties bij verschillende temperaturen vereisen.

Siliciumcarbide onderscheidt zich onder de keramische materialen door het weerstaan van extreme temperaturen zonder sterkteverlies of chemische instabiliteit, een lage thermische uitzetting en bestendigheid tegen zuren en logen. Bovendien maakt de hoge Young's modulus het geschikt voor constructietoepassingen.

Goldman Sachs publiceerde onlangs een rapport waarin wordt gesuggereerd dat siliciumcarbide ervoor kan zorgen dat elektrische voertuigen (EV) energiezuiniger worden en sneller kunnen worden opgeladen, waardoor hun marktpotentieel aanzienlijk wordt uitgebreid. Bovendien kan siliciumcarbide de batterijdichtheid verbeteren door energieverliezen en het aantal componenten te verminderen, wat leidt tot een grotere energiedichtheid met minder componenten.

Uitstekende elektrische geleidbaarheid

Siliciumcarbide (SiC) is in zijn pure vorm een elektrische isolator, maar wanneer het onder gecontroleerde omstandigheden gedoteerd wordt met onzuiverheden kan het halfgeleidende eigenschappen krijgen waardoor er vrijer stroom doorheen kan lopen. Dit proces staat bekend als doping. Doping creëert vrije ladingsdragers waardoor de stroom vrijer door het materiaal kan stromen.

Het vermogen van SiC om hogere spanningen te verdragen betekent dat systemen die ermee zijn ontworpen minder condensatoren en opslagspoelen nodig hebben, waardoor het systeemontwerp minder complex wordt en de betrouwbaarheid toeneemt, en waardoor de grootte/gewicht/kostenoverwegingen van vermogenscomponenten afnemen, wat uiteindelijk leidt tot lagere systeemkosten.

Dankzij de hoogspanningsmogelijkheden van SiC kunnen auto-omvormers met hogere schakelfrequenties werken dan traditionele omvormers, waardoor de efficiëntie van de batterij wordt geoptimaliseerd en het rijbereik voor elektrische voertuigen wordt vergroot. Bovendien vereisen hogere schakelfrequenties minder passieve componenten en koeling, wat resulteert in lagere complexiteit en kosten van het systeem.

SiC is een belangrijk onderdeel van moderne elektronica, van smartphones tot datacenters. Vanwege zijn hardheid, sterkte en vermogen om omgevingen met hoge temperaturen te weerstaan, wordt SiC al lange tijd gebruikt als industrieel materiaal in verschillende toepassingen, waaronder schuurmiddelen zoals schuurpapier en slijpschijven, keramische platen voor kogelvrije vesten en in schurende producten zoals schuurpapier.

Uitstekende weerstand tegen thermische schokken

Siliciumcarbide keramiek is een extreem hard, sterk keramisch materiaal met een superieure thermische schokbestendigheid en weerstand tegen hoge temperaturen zonder sterkteverlies door de unieke roosterstructuur en eigenschappen. SiC heeft een ongebruikelijke primaire coördinerende tetraëder kristalstructuur die bestaat uit koolstof- en siliciumatomen die sterke bindingen vormen in het kristalraamwerk dat resulteert in aanzienlijke hardheid, sterkte, lage dichtheid, elasticiteitsmodulus, inertheid en thermische uitzetting; lage thermische uitzetting en goede thermische geleidbaarheid zijn enkele van de kenmerken.

Siliciumcarbide komt van nature voor als moissaniet in kleine hoeveelheden in meteorieten en kimberliet, maar wordt meestal synthetisch geproduceerd door middel van reactiebinding of sinterprocessen. De productiemethode heeft vaak een aanzienlijk effect op de microstructuur en de thermische schokbestendigheid van de eindproducten.

Vermogenshalfgeleiders op basis van siliciumcarbide zijn bestand tegen veel hogere spanningen dan hun siliciumtegenhangers, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in veeleisende toepassingen zoals vermogenselektronica voor elektrische voertuigen. Hun bredere bandkloof zorgt voor een hogere energie-efficiëntie en sneller schakelen tussen geleidende en isolerende toestanden dan silicium (Wolfspeed). Als gevolg hiervan bevatten energiesystemen die gemaakt zijn met siliciumcarbide minder componenten in serie en hebben ze minder ruimte nodig, waardoor de betrouwbaarheid van het systeem toeneemt en de kosten voor fabrikanten afnemen.

Hoge sterkte

Siliciumcarbide is een van de sterkste door de mens gemaakte materialen ter wereld en heeft een superieure sterkte, zelfs bij zeer hoge temperaturen. Hierdoor kunnen apparaten die ervan gemaakt zijn bij hogere spanningen en temperaturen werken dan hun siliciumtegenhangers, waardoor de vermogensdichtheid toeneemt en de prestaties verbeteren. De thermische schokbestendigheid van siliciumcarbide verlaagt bovendien het risico op defecten door oververhitting en verhoogt de betrouwbaarheid.

Siliciumcarbide (SiC) is een ingewikkeld kristallijn materiaal, met talloze polytypes die worden gekenmerkt door verschillende rangschikkingen van de atomen en een verscheidenheid aan stapelingen en vormen. Kubisch SiC is het meest voorkomende polytype, dat bestaat uit koolstof- en siliciumatomen die in tetrahedral structuren met elkaar verbonden zijn. Productie van hexagonaal en rhombohedraal SiC is mogelijk, maar de opbrengst beperkt het gebruik ervan.

Siliciumcarbide werd voor het eerst kunstmatig gesynthetiseerd door Edward Acheson in 1891 uit een smelt van silicium en koolstof. Later werd het op natuurlijke wijze ontdekt door Henri Moissan in 1905 in de Canyon Diablo meteoriet in Arizona, waar het sindsdien moissaniet wordt genoemd. Tegenwoordig is het meeste geproduceerde siliciumcarbide synthetisch, terwijl slechts kleine hoeveelheden van nature voorkomen in bepaalde meteorieten, korundafzettingen of kimberlietbronnen.

Lage dichtheid

Door de lage dichtheid van SiC kunnen meer componenten in een elektrisch systeem op elkaar worden gestapeld, waardoor ze kleiner en lichter worden en tegelijkertijd de energie-efficiëntie en betrouwbaarheid verbeteren en de systeemkosten voor fabrikanten dalen. Bovendien maakt SiC hogere schakelfrequenties mogelijk, waardoor de betrouwbaarheid van apparaten toeneemt en het vermogensverlies afneemt.

Siliciumcarbide wordt geproduceerd als een poeder van reactiegebonden silicium en koolstof in elektrische ovens, of gegroeid uit grote enkelvoudige kristallen door chemische afzetting uit de dampfase. Siliciumcarbide kan worden gebruikt als industrieel schuurmiddel en voor vele andere doeleinden in de auto-, lucht- en ruimtevaart- en medische industrie. Verder wordt siliciumcarbide vaak gebruikt in halfgeleiderapparaten zoals gelijkrichters en transistors.

Siliciumcarbide heeft de voorbije jaren een golf van interesse gekend, wat een goudkoorts onder investeerders heeft veroorzaakt. Market Research Future rapporteert dat SiC-apparaten die gebruikt worden in elektrische voertuigen (EV's) de omzet van de wereldwijde markt voor vermogenshalfgeleiders tegen 2022 zullen opdrijven tot meer dan $1 miljard wereldwijd; het gebruik ervan kan het bereik van voertuigen helpen verbeteren en snellere oplaadtijden mogelijk maken terwijl het werkt bij hogere voltages en temperaturen dan de huidige elektronicasystemen kunnen uitdagen.