Полупроводниковые материалы с широкой запрещенной зоной позволяют создавать более компактные, быстрые и надежные силовые электронные компоненты. Как правило, они более эффективны, чем их аналоги на основе кремния. Их характеристики приводят к снижению веса, объема и стоимости оборудования в широком диапазоне энергетических приложений. Эти возможности способствуют значительной экономии энергии в промышленности и бытовых приборах. Они также помогают ускорить распространение электромобилей и энергетических элементов и помогают интегрировать возобновляемые источники энергии в электрическую сеть.
Обзор устройств с широкой запрещенной зоной
Разработка передовых силовых электронных устройств с высокими КПД, надежностью, функциональностью и малым форм-фактором обеспечит конкурентное преимущество в области внедрения передовых энергетических технологий. Для достижения высокой эффективности преобразования энергии требуются мощные полупроводниковые ключи с малыми потерями. Используемая в настоящее время технология ключей на основе кремния включает полевые транзисторы (MOSFET), IGBT-транзисторы и тиристоры.
Силовые полупроводниковые устройства на основе кремния имеют несколько ограничений. Из-за относительно малой ширины запрещенной зоны и низкого критического электрического поля требуются высоковольтные устройства со значительной критической толщиной. Большая толщина приводит к устройствам с высоким сопротивлением и связанными с этим потерями проводимости, что приводит к высоким потерям. Кроме того, в большинстве случаев достижимая частота переключения низка. Относительно низкая ширина запрещенной зоны кремния также способствует высокой концентрации внутренних носителей в устройствах на основе кремния, что приводит к высокому току утечки при повышенных температурах.
В результате появились новые возможности для повышения КПД благодаря разработке силовых полупроводниковых устройств с широкой запрещенной зоной. Это обусловлено фундаментальными различиями в свойствах материалов между кремнием и полупроводниками, такими как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Более высокие критические электрические поля в этих материалах с широкой запрещенной зоной позволяют использовать более тонкие и сильно легированные слои, блокирующие напряжение, которые могут снизить сопротивление во включенном состоянии на порядки в архитектурах с большинством носителей.
Высокое электрическое поле пробоя и низкие потери проводимости означают, что материалы с широкой запрещенной зоной могут достигать такого же блокирующего напряжения и сопротивления при меньшем форм-факторе. Работа на высоких частотах в устройствах с широкой запрещенной зоной возможна благодаря уменьшенному значению емкости. Низкая собственная концентрация носителей в материалах с широкой запрещенной зоной обеспечивает снижение токов утечки и надежную работу при высоких температурах. Таким образом, полупроводники с широкой запрещенной зоной обеспечивают путь к более эффективным, более легким, способным работать при высоких температурах и преобразователям энергии меньшего форм-фактора.
Полупроводники с широкой запрещенной зоной облегчают работу устройств при гораздо более высоких температурах, напряжениях и частотах. Это помогает сделать силовые электронные модули значительно более мощными и энергоэффективными, чем те, которые сделаны из обычных полупроводниковых материалов. Однако, чтобы раскрыть весь потенциал устройств на основе с широкой запрещенной зоной, необходимо проводить интенсивные и систематические исследования и разработки на каждом этапе цепочки создания стоимости силовой электроники, как показано на следующем рисунке.
Силовые полупроводники на основе SiC и GaN
Использование карбида кремния (SiC) может снизить сопротивление в открытом состоянии примерно на два порядка по сравнению с устройствами на основе кремния. Это также может значительно снизить потери мощности при применении в системах преобразования энергии. Устройства SiC, такие как силовые полупроводниковые ключи, используются вместе с выпрямительными устройствами. Коммерческое производство устройств на основе карбида кремния возможно благодаря недавним достижениям в области повышения качества подложек, улучшениям эпитаксии, оптимизированной конструкции устройств, достижениям в повышении подвижности каналов с помощью нитридирующего отжига и оптимизации процессов изготовления устройств.
Полупроводниковые ключи на основе кремния не успевают за эволюционными изменениями в отрасли силовой электроники. Это требует необходимости в другом полупроводниковом материале, чьи характеристики соответствуют характеристикам более новых систем, и это нитрид галлия (GaN). Это полупроводник с высокой подвижностью электронов, который, как ожидается, значительно улучшится в ближайшие годы. GaN обычно выращивают поверх кремниевой подложки, и конечный результат, как известно, представляет собой принципиально простое, элегантное и экономичное решение для коммутации высоких напряжений.
Существенные особенности, которые делают GaN очень эффективным, включают тот факт, что его можно выращивать поверх кремниевых пластин, он обеспечивает преимущество самоизоляции и, следовательно, могут быть экономично изготовлены эффективные монолитные силовые интегральные схемы. Исключительно высокая подвижность электронов нитридf галлия и низкий температурный коэффициент обеспечивают очень низкое сопротивление в открытом состоянии. Это позволяет решать задачи, требующие очень высоких скоростей переключения.
© digitrode.ru