Karbid křemíku

Vyšší průrazné napětí
SiC má vyšší průrazné napětí ve srovnání s křemíkem, což umožňuje konstrukci zařízení s vyšším napětím. SiC pracuje nad 10 kV, výrazně nad tím, co lze v současnosti použít. K dispozici jsou zařízení SiC dimenzovaná na 1 200 V a 1 700 V.

Vyšší tepelná vodivost
SiC má vyšší tepelnou vodivost ve srovnání s křemíkem, což vede ke zlepšení tepelného managementu a snížení energetických ztrát. Výkon křemíku se při vyšších teplotách zhoršuje, zatímco SiC je mnohem stabilnější.

Vyšší provozní teplota
SiC může pracovat při vyšších teplotách ve srovnání s křemíkem, což má za následek lepší spolehlivost a delší životnost zařízení. Křemíkové zařízení je obvykle příliš-specifikováno při pokojové teplotě, aby byla zachována specifikace při vyšších teplotách. Zařízení SiC s polovičním jmenovitým proudem bude obvykle vykonávat stejnou práci jako křemíkové IGBT, protože SiC je mnohem stabilnější při vyšších teplotách a nepotřebuje výrazné snížení.

Vyšší spínací frekvence
Vyšší frekvence znamenají zmenšení velikosti a hmotnosti magnetu, protože hodnoty součástek v LC filtru transformátoru se výrazně sníží. SiC se může zapínat a vypínat mnohem rychleji ve srovnání s křemíkem, což má za následek lepší hustotu výkonu a účinnost v aplikacích výkonové elektroniky.

Nižší pokles napětí vpřed
SiC má ve srovnání s křemíkem nižší pokles napětí v propustném směru, virtuální absence koncového proudu umožňuje rychlejší vypínání a výrazně nižší ztráty. Vzhledem k tomu, že se spotřebuje méně energie, zařízení SiC může přepínat na vyšších frekvencích a zlepšit účinnost.

Karbid křemíku (SiC) je chemická sloučenina složená z uhlíku a křemíku. Je známý pro své vynikající brusné vlastnosti a používá se k výrobě brusných kotoučů a jiných brusných produktů již více než století. Byla však také vyvinuta ve vysoce-kvalitní technickou keramiku se širokou škálou aplikací.

Jednou z klíčových chemických vlastností karbidu křemíku je jeho odolnost vůči kyselinám a zásadám. Nerozpouští se v kyselinách ani zásadách, ale může být napaden alkalickými taveninami a některými taveninami kovů a oxidů kovů. V inertním plynu nebo redukční atmosféře vydrží teploty až 1500 stupňů.

Z hlediska fyzikálních vlastností má karbid křemíku nízkou hustotu, vysokou pevnost a nízkou tepelnou roztažnost. Má také vysokou tepelnou vodivost, vysokou tvrdost a vysoký modul pružnosti. Díky těmto vlastnostem je vhodný pro různé aplikace, jako jsou brusiva, žáruvzdorné materiály, keramika a vysoce výkonné součásti.

Karbid křemíku je vysoce inertní a není napadán kyselinami, zásadami nebo roztavenými solemi až do 800 stupňů. Na vzduchu vytváří ochranný povlak oxidu křemíku při 1200 stupních, což umožňuje jeho použití při teplotách až 1600 stupňů. Jeho vysoká tepelná vodivost a nízká tepelná roztažnost v kombinaci s vysokou pevností mu dávají výjimečnou odolnost proti tepelným šokům.

Materiál je také elektrický vodič a nachází uplatnění v odporovém ohřevu, zapalovačích plamenů a elektronických součástkách. Jeho chemická čistota a odolnost vůči chemickému napadení při vysokých teplotách ho činí oblíbeným pro použití v polovodičových pecích jako nosiče plátků a lopatky. Kromě toho se používá v odporových topných prvcích pro elektrické pece a jako klíčová součást v termistorech a varistorech.

Z hlediska tepelných vlastností má karbid křemíku ve srovnání s jinými keramickými materiály relativně vysokou tepelnou vodivost a nízký koeficient tepelné roztažnosti. To má za následek příznivou odolnost proti tepelným šokům, takže je vhodný pro aplikace, kde dochází k rychlým změnám teploty.

Z čeho jsou vyrobeny křemík a karbid křemíku?

Když je křemík syntetizován ve své nejčistší formě, tvoří krystalickou strukturu, kde jeden atom křemíku tvoří vazbu se čtyřmi dalšími sousedními atomy křemíku. Tento substrát na křemíkové bázi pak může být dopován různými dalšími prvky za účelem vytvoření polovodičových spojů na plátku křemíkového substrátu.

Na druhé straně karbid křemíku je směsí atomů křemíku a uhlíku, která tvoří různé krystalické struktury. Nejrozšířenějšími strukturami pro použití v polovodičích jsou karbid křemíku 3C, 4C a 6H, z nichž všechny mají různé elektrické vlastnosti a výhody, když jsou dopovány různými prvky. Křemíkové plátky dorůstají až 8-12 palců a tvoří se z roztavené fáze čistého křemíku. Karbid křemíku se však obecně syntetizuje z plynné fáze a může narůst až o šest palců.

Vlastnosti křemíku a karbidu křemíku: Výkon a rychlost
Vzhledem ke své schopnosti odolávat vyšším elektrickým polím mohou substrátové materiály z karbidu křemíku odolat vyšším napětím, než se porouchají. Křemík má průrazné napětí přibližně 600 V, zatímco karbid křemíku vydrží napětí 5-10krát vyšší. V praxi to znamená, že aplikace s vysokým výkonem budou moci využívat polovodičovou technologii nebo že zařízení se stejným rozdílem napětí může být téměř desetkrát menší. Karbid křemíku může spínat téměř desetkrát rychleji než křemík, což má za následek menší řídicí obvody.

Aplikace křemíku a karbidu křemíku v reálném světě
Jedním z velkých průmyslových příkladů implementace karbidu křemíku na úkor křemíku je průmysl elektrických vozidel. Při řízení elektromobilu je elektronický systém navržen tak, aby podporoval plné zatížení výkonu vozidla, čehož lze dosáhnout v provedeních na bázi křemíku i karbidu křemíku-. Křemíkové IGBT se běžně používají v invertorech EV, kde pohánějí baterie-napájené motory. Avšak vzhledem k normálnímu jízdnímu cyklu automobilu (tj. nevyužívá se plného zatížení), vysoký odpor křemíku jej činí spíše neefektivním. Vzhledem k tomu, že karbid křemíku zvládá stejné konstrukční požadavky na zatížení při mnohem menší velikosti, karbid křemíku se stává výrazně účinnějším a může následně zvýšit účinnost celého invertorového systému o téměř 80 %.