Kiselkarbid: En gamechanger för halvledaranordningar

Halvledarkomponenter av kiselkarbid revolutionerar kraftelektroniken, enligt marknadsundersökningsföretaget Yole Development. Dessutom är deras tillväxt inom marknaden för krafthalvledarenheter snabb. SiC är en oorganisk förening som består av lager, eller polytyper. När det dopas med föroreningar som aluminium, bor och gallium blir det ett effektivt halvledarmaterial.

Brett bandgap

Kiselkarbid (SiC) är en extremt hård syntetisk kristallin förening av kisel och kol som sedan den uppfanns i slutet av 1800-talet länge har använts som slipmedel i sandpapper, slipskivor, skärverktyg och industriella ugnsinfodringar. Dessutom fungerar SiC som ett utmärkt substratmaterial för halvledare som används för ljusdioder (LED).

Effekthalvledare tillverkade av SiC kan hantera högre spänningar än enheter tillverkade av traditionellt kisel, vilket leder till mindre och lättare komponenter och lägre tillverkningskostnader för tillverkarna. SiC:s högre temperaturklassning möjliggör dessutom enklare men mer tillförlitliga system som kan användas i tuffa miljöer.

Kiselkarbid utmärker sig som en toppresterare tack vare sitt bredare bandgap, vilket gör att det kan leda ström mer effektivt än vanliga halvledarmaterial som kisel. Material med bredare bandgap har också högre temperaturtolerans, högre spänningspotentialer och kan stödja högre frekvenser än sina kiselbaserade motsvarigheter.

Hög genomslagsspänning

Halvledare av kiselkarbid (SiC) har fått stor uppmärksamhet på grund av sin förmåga att klara högre spänningar och temperaturer än traditionella kiselhalvledare samtidigt som de hjälper elektroniska apparater att minska effektförlusterna och switchförlusterna, två viktiga aspekter av elektroniska apparaters prestanda.

Market Research Future bedömer att intäkterna från marknaden för krafthalvledare kommer att öka med mer än 10% per år under de kommande fem åren på grund av den ökande efterfrågan på elfordon, förnybara energikällor och 5G-teknik - vilket driver efterfrågan på avancerad kraftelektronik med högre prestanda och högre effektivitet samtidigt som den förblir kompakt i storlek.

SiC-halvledare har en hög genombrottsspänning, vilket gör dem perfekta för applikationer inom kraftelektronik. De elektriska egenskaperna är mycket bättre än hos kisel och galliumnitrid, vilket gör SiC lämpligt för högspänningssystem på över 1000 V. Deras spänningsresistans är betydligt lägre än kislets; galliumnitrid presterar dåligt jämfört med det.

Kiselkarbid, som består av kol och kisel, finns rikligt i naturen, men endast spårmängder förekommer naturligt på jorden i meteoriter eller bergavlagringar. Det kan dock tillverkas syntetiskt ganska enkelt för industriella slipmedel under det senaste århundradet.

Hög värmeledningsförmåga

Den utmärkta värmeledningsförmågan hos kiselkarbidkeramik gör den till ett utmärkt materialval för krafthalvledarkomponenter. Dess förmåga att leda bort värme från enheterna bidrar till att sänka kretstemperaturerna, vilket ökar effektiviteten och tillförlitligheten, samtidigt som dess högre blockeringsspänning ytterligare förbättrar enhetens prestanda.

Kiselkarbid (SiC) är en förening av kisel och kol som har ett ovanligt brett bandgap, vilket gör att den kan leda elektricitet vid högre frekvenser än vanliga kiselhalvledare, högre spänningar och snabbare växlingshastigheter än deras kiselbaserade motsvarigheter. Alla dessa egenskaper gör SiC till ett utmärkt materialval för applikationer som kräver maximal prestanda vid olika temperaturer.

Kiselkarbid utmärker sig bland keramiska material genom att tåla extrema temperaturer utan att drabbas av hållfasthetsförlust eller kemisk instabilitet, ha låg värmeutvidgning och vara resistent mot syror och lut. Dessutom gör dess höga elasticitetsmodul att den lämpar sig för konstruktionstillämpningar.

Goldman Sachs har nyligen publicerat en rapport som tyder på att kiselkarbid kan göra det möjligt för elfordon att bli mer energieffektiva och snabbladdas, vilket avsevärt ökar deras marknadspotential. Dessutom kan kiselkarbid förbättra batteritätheten genom att minska energiförlusterna och komponentantalet - vilket leder till högre effekttäthet med minskat komponentantal.

Utmärkt elektrisk ledningsförmåga

Kiselkarbid (SiC) är i sitt rena tillstånd en elektrisk isolator, men när den dopas med föroreningar under kontrollerade former kan den få halvledande egenskaper som gör att ström kan passera genom den mer fritt. Denna process kallas dopning. Dopning skapar fria laddningsbärare som gör att strömmen kan flöda friare genom materialet.

SiC:s förmåga att tolerera högre spänningar innebär att system som konstruerats med SiC kräver färre kondensatorer och lagringsinduktorer, vilket minskar komplexiteten i systemdesignen samtidigt som tillförlitligheten förbättras, och bidrar till att minska storlek/vikt/kostnad för kraftkomponenter, vilket i slutändan leder till lägre systemkostnader.

SiC:s högspänningsegenskaper gör det möjligt för omriktare i fordonsindustrin att arbeta med högre switchfrekvenser än traditionella omriktare, vilket optimerar batteriets effektivitet och ökar räckvidden för elfordon. Ökade switchfrekvenser kräver dessutom mindre passiver och kylning, vilket leder till minskad systemkomplexitet och lägre kostnader.

SiC är en viktig beståndsdel i modern elektronik, från smartphones till datacenter. På grund av sin hårdhet, styrka och förmåga att motstå höga temperaturer har SiC länge använts som industriellt material i olika tillämpningar, t.ex. slipmedel som sandpapper och slipskivor, keramiska plattor för skottsäkra västar samt i slipprodukter som sandpapper.

Utmärkt motståndskraft mot termisk chock

Kiselkarbidkeramik är ett extremt hårt och starkt keramiskt material med överlägsen motståndskraft mot termisk chock och höga temperaturer utan att förlora hållfasthet tack vare sin unika gitterstruktur och sina egenskaper. SiC har en ovanlig primärkoordinerande tetraederkristallstruktur som består av kol- och kiselatomer som bildar starka bindningar i sin kristallram som resulterar i betydande hårdhet, styrka, låg densitet, elasticitetsmodul, inertitet och termisk expansion; låg termisk expansion samt god värmeledningsförmåga är bland dess egenskaper.

Kiselkarbid finns naturligt som moissanit i små mängder i meteoriter och kimberlit, men framställs oftast syntetiskt genom antingen reaktionsbindning eller sintringsprocesser. Produktionsmetoden har ofta en betydande effekt på dess mikrostruktur samt slutprodukternas motståndskraft mot termisk chock.

Kiselkarbidbaserade krafthalvledare tål mycket högre spänningar än sina motsvarigheter i kisel, vilket gör dem lämpliga för användning i krävande applikationer som kraftelektronik för elfordon. Deras bredare bandgap möjliggör högre energieffektivitet och snabbare växling mellan ledande och isolerande tillstånd än kisel (Wolfspeed). Som ett resultat av detta innehåller kraftsystem tillverkade med kiselkarbid färre komponenter i serie med minskade utrymmeskrav - vilket ökar systemets tillförlitlighet samtidigt som kostnaderna för tillverkarna minskar.

Hög hållfasthet

Kiselkarbid är ett av världens starkaste människotillverkade material och har överlägsen styrka även vid mycket höga temperaturer. Detta gör att enheter som tillverkas av kiselkarbid kan arbeta vid högre spänningar och temperaturer än motsvarande enheter av kisel, vilket ökar effekttätheten och förbättrar prestandan. Kiselkarbidens egenskaper att motstå termiska stötar minskar dessutom risken för att enheterna ska gå sönder på grund av överhettning, samtidigt som tillförlitligheten ökar.

Kiselkarbid (SiC) är ett komplicerat kristallint material med många polytyper som kännetecknas av olika arrangemang av dess atomer och ett urval av staplingssekvenser och former. Kubisk SiC är den mest förekommande polytypen och består av kol- och kiselatomer som är sammanfogade i tetraedriska strukturer. Produktion av hexagonalt och rhomboedralt SiC är möjlig men deras utbyte begränsar deras användning.

Kiselkarbid syntetiserades först artificiellt av Edward Acheson 1891 från en smälta av kisel och kol. Senare upptäcktes den naturligt av Henri Moissan 1905 i Canyon Diablo-meteoriten i Arizona, där den sedan dess har fått namnet moissanit. Numera är det mesta av den kiselkarbid som produceras syntetisk medan endast små mängder finns kvar naturligt i vissa meteoriter, korundfyndigheter eller kimberlitkällor.

Låg densitet

SiC:s låga densitet gör att fler komponenter kan staplas i ett elektriskt system, vilket minskar deras storlek och vikt samtidigt som energieffektiviteten och tillförlitligheten förbättras och systemkostnaderna för tillverkarna minskar. Dessutom tillåter SiC högre switchfrekvenser som ökar enhetens tillförlitlighet samtidigt som effektförlusterna minskar.

Kiselkarbid framställs som pulver från reaktionsbundet kisel och kol i elektriska ugnar, eller odlas från stora enkristallbollar genom kemisk förångningsdeposition. Kiselkarbid kan användas som industriellt slipmedel och har även många andra användningsområden inom t.ex. bil-, flyg- och medicinindustrin. Dessutom används kiselkarbid ofta i halvledarkomponenter som likriktare och transistorer.

Kiselkarbid har upplevt ett ökat intresse under de senaste åren, vilket har skapat en guldrush bland investerare. Market Research Future rapporterar att SiC-enheter som används i elfordon (EV) kommer att driva de globala marknadsintäkterna för krafthalvledare över $1 miljarder över hela världen 2022; dess användning kan bidra till att förbättra fordonets räckvidd och möjliggöra snabbare laddningstider samtidigt som de arbetar vid högre spänningar och temperaturer än vad som kan utmana nuvarande elektroniksystem.