Rapporto di ricerca speciale sull'industria del carburo di silicio: crescita dei veicoli di nuova energia e dell'industria degli azionamenti fotovoltaici(1)
1. Il SiC ha eccellenti caratteristiche elettriche e si prevede che diventi uno dei materiali semiconduttori più promettenti
Lo sviluppo dei materiali semiconduttori ha attraversato tre fasi. I materiali semiconduttori comuni includono il silicio (E), germanio (ge) e altri elementi semiconduttori e materiali semiconduttori composti come l'arseniuro di gallio (GaAs), carburo di silicio (SiC), nitruro di gallio (GaN). Dalla sequenza temporale della ricerca e dell'applicazione su larga scala, i materiali semiconduttori di cui sopra sono generalmente suddivisi in tre generazioni nel settore.
I materiali semiconduttori di prima generazione sono stati ampiamente utilizzati a partire dagli anni ’50, rappresentato dal silicio (E) e germanio (ge). La filiera industriale di tali materiali è relativamente matura, con riserve tecniche complete e bassi costi di produzione. Attualmente, sono utilizzati principalmente nei circuiti integrati su larga scala, compresa la bassa tensione, bassa frequenza, transistor e rilevatori a bassa potenza.
I materiali semiconduttori a base di silicio sono attualmente i materiali semiconduttori più prodotti e più ampiamente utilizzati, e più di 90% dei prodotti a semiconduttori sono realizzati con materiali a base di silicio.
I materiali semiconduttori di seconda generazione sono stati ampiamente utilizzati a partire dagli anni ’90, rappresentato dall'arseniuro di gallio (GaAs) e fosfuro di indio (In P). Con lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori, il collo di bottiglia fisico del materiale siliconico sta emergendo sempre più, e le sue proprietà fisiche ne limitano l'applicazione nell'optoelettronica e nei dispositivi ad alta potenza ad alta frequenza. I materiali semiconduttori di seconda generazione hanno le caratteristiche del band gap diretto nella struttura fisica.
Rispetto ai materiali a base di silicio, hanno i vantaggi di buone prestazioni fotoelettriche, alta frequenza operativa, resistenza alle alte temperature e resistenza alle radiazioni. Sono adatti per realizzare alte velocità, alta frequenza, dispositivi elettronici ad alta potenza ed emittenti di luce. Sono materiali eccellenti per realizzare microonde ad alte prestazioni, dispositivi a onde millimetriche e dispositivi che emettono luce, e sono ampiamente utilizzati nelle comunicazioni mobili, comunicazioni satellitari, comunicazioni ottiche, Navigazione GPS e altri campi.
Il semiconduttore di terza generazione è un semiconduttore composto rappresentato dal nitruro di gallio (GaN) e carburo di silicio (SiC). La larghezza del gap di banda di questo tipo di materiale semiconduttore è maggiore o uguale a 2,3 eV, quindi è anche chiamato materiale semiconduttore a banda larga. Il semiconduttore di terza generazione presenta vantaggi significativi in parametri chiave come l'ampiezza del gap di banda, campo elettrico di rottura, conduttività termica, tasso di saturazione elettronica, e resistenza alle radiazioni, soddisfare le esigenze dell'industria moderna per l'alta potenza, alta tensione, e alta frequenza.
Perciò, il semiconduttore di terza generazione viene utilizzato principalmente per realizzare l'alta velocità, alta frequenza, componenti elettronici ad alta potenza e che emettono luce. Le applicazioni a valle includono la rete intelligente, veicoli di nuova energia, eolico fotovoltaico, 5Comunicazione G, eccetera.
Introduzione ai materiali SiC. Il SiC è una sostanza inorganica con la formula chimica del SiC. È fatto di sabbia di quarzo, coke di petrolio (o coke di carbone), trucioli di legno (il sale è necessario per produrre SiC verde) e altre materie prime mediante fusione in un forno a resistenza ad alta temperatura.
Il SiC esiste anche in natura come minerale raro, mullite. Tra C, N, B e altri materiali refrattari ad alta tecnologia non ossidici, Il SiC è quello più utilizzato ed economico, che può essere chiamata sabbia smeriglio o refrattaria. Si prevede che il SiC diventi uno dei materiali più promettenti nel campo dei materiali semiconduttori.
Rispetto ai dispositivi in silicio, i dispositivi di potenza basati su SiC hanno proprietà elettriche come la resistenza all'alta tensione, resistenza alle alte temperature e bassa perdita di energia, e sono uno dei materiali semiconduttori più promettenti. Le caratteristiche elettriche superiori del SiC includono i seguenti aspetti:
1 Resistenza ad alta tensione. Poiché l'intensità del campo elettrico di rottura del SiC è superiore a 10 volte quello del silicio, il dispositivo preparato con SiC può migliorare ulteriormente la capacità di tensione di tenuta, frequenza operativa e densità di corrente, e ridurre significativamente la perdita di conduzione del dispositivo.
2 Resistenza alle alte temperature. Più ampio è il gap di banda, maggiore sarà la temperatura operativa limite del dispositivo. Poiché il gap di banda del SiC è vicino a tre volte quello del silicio, la temperatura operativa limite del SiC sarà significativamente più alta di quella del silicio, che può raggiungere più di 600 ℃. Allo stesso tempo, la conduttività termica del SiC è superiore a quella del silicio, che aiuta a ridurre i requisiti del sistema di raffreddamento e a rendere il terminale più leggero e più piccolo.
3 Bassa perdita di energia. Il SiC ha una velocità di deriva degli elettroni saturi doppia rispetto a quella del silicio. Rispetto al silicio, Il SiC ha una resistenza molto bassa e una perdita minima; Allo stesso tempo, Il SiC ha quasi 3 volte la larghezza del gap di banda del silicio, e la corrente di dispersione è significativamente ridotta rispetto ai dispositivi al silicio, che può ridurre ulteriormente la perdita di potenza; Inoltre, I dispositivi SiC non presentano scodamenti di corrente durante il processo di spegnimento, e la perdita di commutazione è bassa, che migliora notevolmente la frequenza di commutazione nelle applicazioni pratiche.
Generalmente, Il SiC ha proprietà superiori come la resistenza alle alte pressioni, resistenza alle alte temperature e bassa perdita di energia, che può soddisfare i nuovi requisiti della tecnologia dell'elettronica di potenza per le alte temperature, ad alta potenza, alta tensione, alta frequenza, resistenza alle radiazioni e altre condizioni di lavoro difficili, e si prevede che diventi uno dei materiali più promettenti nel campo dei materiali semiconduttori.
