Dlaczego materiały półprzewodnikowe z węglika krzemu (SiC) mają świetlaną przyszłość?

Są małe, mocne i niezwykle wydajne: półprzewodniki wykonane z węglika krzemu mogą pomóc w przeniesieniu elektroniki mocy w akumulatorach i czujnikach na wyższy poziom, przyczyniając się w znacznym stopniu do przełomu w dziedzinie pojazdów elektrycznych i wspierając cyfryzację przemysłu.  
   
 

Półprzewodniki wykonane z węglika krzemu (SiC) przetwarzają energię elektryczną wydajniej niż tradycyjne półprzewodniki w niektórych ważnych zastosowaniach. Ta nowa technologia jest zatem szczególnie interesująca dla producentów pojazdów elektrycznych: dzięki zastosowaniu półprzewodników SiC, ulepszone sterowanie akumulatorem pomaga oszczędzać energię, a tym samym znacznie wydłuża żywotność pojazdów elektrycznych. Półprzewodniki na bazie SiC umożliwiają również szybsze ładowanie. Już dziś w każdym samochodzie elektrycznym znajduje się wiele półprzewodników. W przyszłości, ze względu na ich zalety w zakresie szybkości przełączania, strat ciepła i kompaktowych rozmiarów, pojawią się w szczególności układy konwersji SiC. Inne firmy, takie jak operatorzy sieci komórkowych, producenci smartfonów i branża automatyki, również wiążą duże nadzieje z tymi mikroprocesorami.
 

Zalety i zastosowania półprzewodników SiC    
   

10 czasy

W porównaniu z tradycyjnymi półprzewodnikami krzemowymi, półprzewodniki elektroenergetyczne SiC mogą być wykonane ze znacznie mniejszych materiałów. Jest to możliwe dzięki ich większej szerokości pasma, co pozwala im przetwarzać energię elektryczną z mniejszą stratą ciepła. Półprzewodniki krzemowe muszą być znacznie większe, aby osiągnąć tę samą wydajność.

 
 

Zniżka do 50%

W półprzewodnikach SiC występują straty ciepła w porównaniu z konwencjonalnymi półprzewodnikami wykonanymi z krzemu. Dlatego ważnym obszarem zastosowań półprzewodników SiC jest elektronika mocy, czyli przetwarzanie energii elektrycznej do postaci użytecznej dla urządzeń. Na przykład w laptopie półprzewodnik jest ukryty w transformatorze ładowarki. Dotychczas w tym celu stosowano głównie półprzewodniki krzemowe, ale emitują one duże ilości energii w postaci ciepła. Zastosowanie półprzewodników z węglika krzemu znacznie zmniejsza straty ciepła, a tym samym zwiększa dostępność energii do ładowania.  
 
 
  300–500%  

Tranzystory SiC mogą również zwiększyć częstotliwość przełączania w porównaniu z tranzystorami krzemowymi. To kolejny powód, dla którego półprzewodniki SiC mogą być wykorzystywane do tworzenia komponentów o znacznie mniejszych rozmiarach.  
 
 
 

% 10 do 15%

Półprzewodniki SiC mogą zapewnić większy zasięg pojazdów elektrycznych, ponieważ umożliwiają wydajniejszą konwersję energii. W rezultacie producenci samochodów mogą instalować w swoich pojazdach mniejsze akumulatory. To korzystne dla producentów i może dać branży impuls do rozwoju.

 
 

Nadaje się do nowoczesnej technologii 5G

Półprzewodniki SiC są również idealne. Ultraszybkie sieci będą wymagały ogromnych ilości energii i wydajności, zwłaszcza od elementów infrastruktury, takich jak stacje przesyłowe. Aby przyspieszyć ładowanie smartfonów, producenci mogą w przyszłości wykorzystywać półprzewodniki SiC. Ponadto, nowe półprzewodniki idealnie nadają się do ładowarek bezprzewodowych i serwerów centrów danych.  
 
 

Nieskończone możliwości

Półprzewodniki SiC otwierają drogę do digitalizacji procesów przemysłowych. Na przykład procesy wymagające szczególnie wysokich prędkości od elektroniki mocy mogą być lepiej obsługiwane przez szybsze systemy czujników. Wykorzystanie urządzeń mobilnych sterowanych przez sieć 5G, opartych na półprzewodnikach SiC, oferuje również ogromny potencjał dla dalszej optymalizacji Przemysłu 4.0.

 

$ 412 mld

Obroty całego sektora półprzewodników w ubiegłym roku. Półprzewodniki SiC pozostają produktem niszowym, ze sprzedażą na poziomie około 500 milionów dolarów. Eksperci branżowi spodziewają się jednak, że pojazdy elektryczne spowodują szybki wzrost sprzedaży, o 10% do 25% rocznie w latach 2020-2022 i o ponad 40% do 2023 roku.  
 
Zasadniczo wszystkie półprzewodniki są wykonane z kryształów, które powstają z proszku (takiego jak krzem lub węglik krzemu) w bardzo wysokich temperaturach. Kryształy są następnie cięte na cienkie plasterki zwane płytkami (waflami). Na płytkach można osadzać bardzo złożone obwody elektroniczne, tworząc ostatecznie urządzenia mikroelektroniczne.  Produkcja nowych materiałów półprzewodnikowych SiC  
  więcej niż 50 lat  
Przeprowadzono wiele badań nad produkcją półprzewodników z węglika krzemu i wzrostem kryształów węglika krzemu, a wzrost kryształów węglika krzemu wykorzystuje głównie proces fizycznego transportu z pary (PVT). Małe kryształy węglika krzemu powstają w wysokich temperaturach i przy niskim ciśnieniu. Cząsteczki przechodzą przez gaz nośny do chłodniejszego kryształu zaszczepiającego, gdzie następuje krystalizacja w wyniku przesycenia.

 

Stopni Celsjusza 2400

Jest on niezbędny do procesu wzrostu monokrystalicznego materiału z węglika krzemu. Dla porównania, konwencjonalne kryształy krzemu wymagają jedynie temperatury około 1,500 stopni.

 

10 do 14 dni

to czas potrzebny do wyhodowania kryształów węglika krzemu w piecu. To, wraz ze znacznie wyższym zużyciem energii, jest jednym z powodów, dla których są one droższe niż zwykłe kryształy krzemu, które można wyhodować w ciągu dwóch dni.

 

średnica 150mm

to rozmiar współczesnych płytek z węglika krzemu. Wkrótce płytki SiC o średnicy 200 mm będą produkowane na skalę przemysłową. Ich rozmiar osiągnie wówczas standardy „tradycyjnego” przemysłu opartego na krzemie, co oznacza przełom w produktach elektronicznych na bazie SiC.