Известно, что полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), обеспечивают превосходные характеристики по сравнению с кремнием. К ним относятся более высокий КПД, более высокая частота переключения, более высокая рабочая температура и более высокое рабочее напряжение.
Полупроводники с широкой запрещенной зоной значительно повышают эффективность каскадов преобразования энергии, выступая в качестве надежной замены кремния при производстве преобразователей напряжения, силовых ключей и высокоэффективных диодов. По сравнению с традиционной технологией на основе кремния полупроводники с широкой запрещенной зоной позволяют получить важные улучшения, такие как большая энергоэффективность, меньший размер, меньший вес и более низкая общая стоимость.
Первые силовые полупроводниковые устройства были выпущены в 1952 году. С тех пор кремний был и остается основным полупроводниковым материалом в системах преобразования энергии в импульсном режиме. Тем не менее, материалы с широкой запрещенной зоной рассматривались как следующий логический шаг с середины 20-го века. Первое силовое устройство на основе карбида-кремния поступило в продажу только в 2001 году.
С недавних времен полупроводниковый материал арсенид-галлия также стал более доступным. Полупроводниковый материал, который использовался в основном в светоизлучающих диодах, теперь стал серьезной заменой кремниевой технологии в области приложений преобразования энергии. Рост рынка этих полупроводников (особенно SiC и GaN) отражает превосходные характеристики этих полупроводниковых материалов по сравнению с кремнием. Ключевыми характеристиками являются более низкие потери проводимости, более низкие потери при переключении и работа при высоких температурах.
Материалы с широкой запрещенной зоной, как следует из названия, имеют большую ширину запрещенной зоны. Это энергетический зазор, существующий между верхней границей валентной связи и нижней границей зоны проводимости. Ширина запрещенной зоны позволяет полупроводникам переключаться между состояниями проводимости (ВКЛ) и отключения (ВЫКЛ) на основе электрических параметров, контролируемых извне. Более широкая запрещенная зона подразумевает большее электрическое поле пробоя, но также и возможность работы при более высоких температурах, напряжениях и частотах. Широкая запрещенная зона также означает более высокое электрическое поле пробоя и, следовательно, более высокое напряжение пробоя. Преодолевая теоретические пределы кремния, полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как SiC и GaN, обеспечивают значительное улучшение производительности и позволяют работать с эффективностью и надежностью даже в самых суровых условиях.
Ожидается, что полупроводники с широкой запрещенной зоной проложат путь к захватывающим инновациям в областях силовой электроники, полупроводникового освещения и других разнообразных областях в различных секторах промышленности и экологически чистой энергетики с гораздо более высокими характеристиками по сравнению с современными технологиями. Ключевыми преимуществами включения устройств с широкой запрещенной зоной является устранение до 90% потерь мощности, которые в настоящее время происходят при преобразовании переменного тока в постоянный и постоянного в переменный. Мощность может быть повышена за счет использования устройств с широкой запрещенной зоной и, как известно, до 10 раз выше, чем у устройств на основе кремния. Надежность системы может быть повышена за счет возможности работы при более высоких максимальных температурах.
Известно, что системы, разработанные с использованием устройств с широкой запрещенной зоной, меньше и легче по сравнению с устройствами на основе кремния. Кроме того, потребление энергии в течение жизненного цикла снижается, что открывает возможности для новых приложений. Благодаря работе на более высоких частотах, чем устройства на основе кремния, можно определить компактные и менее дорогие конструкции продуктов. Обратите внимание, что по мере улучшения производственных возможностей и расширения рыночных приложений известно, что стоимость устройств с широкой запрещенной зоной будет снижаться еще больше.
Для достижения номинальных значений напряжения и тока, требуемых в конкретных приложениях, необходимо реализовать новые конструкции устройств. Эти конструкции должны максимально использовать свойства материалов с широкой запрещенной зоной. Требуются альтернативные материалы для корпусирования или конструкции, чтобы выдерживать высокие температуры. Тем не менее, существующие системы, возможно, придется перепроектировать, чтобы интегрировать устройства с широкой запрещенной зоной таким образом, чтобы они могли реализовать их уникальные возможности.
Известно, что SiC и GaN являются материалами следующего поколения для высокопроизводительного преобразования энергии и электромобилей. Высочайшая надежность обеспечивается за счет использования устройств с широкой запрещенной зоной, которые обеспечивают превосходную устойчивость к суровым условиям окружающей среды. Таким образом, по сравнению с кремнием основные преимущества, предлагаемые материалами с широкой запрещенной зоной, включают более низкое сопротивление, более высокое напряжение пробоя, более высокую теплопроводность, работу при более высоких температурах, большую надежность, почти нулевое время обратного восстановления и отличные характеристики на высоких частотах.
© digitrode.ru