Technologia węglika krzemu Chronologia pierwsze próby lata 1950. kryształy wyższej jakości lata 1990. radykalne ograniczenie defektów lata 2000. Zmodyfikowana metoda Lelya grafitowy tygiel umieszczony w komorze o podwójnych ścianach z kwarcu (chłodzenie wodne) tygiel obracany i przesuwany w pionie kontrola dt pompa usuwa resztki gazów Ar pod wysokim ciśnieniem kontrolowanym przez zawór zapobiega polikrystalizacji w θ < 2000 C cewki RF θ 2200 2400 C sublimacja proszku Si-C zarodek nieco chłodniejszy kondensacja pary wokół zarodka i rekrystalizacja monokryształu domieszki N2 N, Al(CH3)3 P 21
Technologia węglika krzemu (cd.) Podłoża metoda Lelya Warstwa zasadnicza (wyższej jakości) epitaksjalna 4H i 6H-SiC mogą być łatwo wytwarzane przez homoepitaksję w atmosferze H2 i θ 1500 C wprowadza się gazowe SiH4 i C3H8 lub C2H4 Materialscientist @ en.wikipedia Epitaksja schodkowa materiał jest niskiej jakości przy wzroście 2D w θ < 1800 C dominuje 3C-SiC podłoże ścięte w schodki wzrost poziomy brak 3C-SiC Warstwy izolacyjne i pasywacyjne utlenianie powierzchniowe 22
Problemy technologiczne Domieszkowanie Politypia kryształu Mikrorurki defekty zmniejszające napięcie przebicia rurki powstające w kierunku wzrostu monokryształu o średnicach 1 3 µm 1993: >1000/cm2 2007: <5/cm2 Rozmiar monokryształów obecnie 3 in 100 mm (SiCED) 23
Komercyjnie dostępne diody z węglika krzemu Producenci Parametry graniczne 2001: Infineon SBD obecnie: Infineon, Cree, ST (od 2009) głównie JBS, MPS komercyjne: 1200 V, 15 A 500 VA (moc przetwarzana) laboratoria: 100 A / 5 kv (UF 4,2 V) 10 kv / 50 A (UF 4,2 V) 200 kva Cena wyraźnie wyższa niż Si PIN kompensowana oszczędnościami na elementach biernych i energii strat Si PIN SiC SBD Si PIN SiC SBD IDP18E120 IDH15S120 IDD03E60 IDD03SG60 1200 V 1200 V 600 V 600 V 18 A 15 A 3A 3A TO220 TO220 TO252 TO252 0,91 $ (500) 15,76 $ (500) 0,23 $ (2500) 1,02 $ (2500) 24
Postęp technologiczny Infineon thinq! 3G seria optymalizowana pod kątem mocy strat przy wysokich częstotliwościach i małej mocy przetwarzanej; przykład układu PFC CCM 25
Charakterystyki statyczne diod JBS SiC i wpływ temperatury Stan przewodzenia spadek potencjału może nie być kryterium optymalizacji struktury Stan zaworowy T Uj Ui Pcond ( dla małych IF) T Ubr IR Prev niemniej prąd upływu rzędu 10 na nawet przy θ = 150 C i U = 200 V Straty statyczne zazwyczaj Pstat narzucają charakter zależności całkowitej mocy strat od temperatury 26
Wyłączanie diod JBS SiC i wpływ temperatury Mały ładunek przejściowy Straty dynamiczne mała moc strat mały prąd wsteczny T Qc, Irrm = Prr = Łagodny zanik prądu wstecznego małe przepięcia, zaburzenia 27
Dioda MPS w warunkach przetężenia Zwykła SBD / JBS MPS 1. generacja zwykłe; 2. generacja MPS Wyłączanie nośniki nadmiarowe szybko wyciągane przez wyspy złącz Schottky ego Friedrichs, IPEC 2010 Friedrichs, IPEMC 2006 28
Zysk ze stosowania diod Schottky ego z węglika krzemu w rzeczywistej aplikacji (1) Przetwornica podwyższająca korektor współczynnika mocy Układ oryginalny wejście 230 V (rms), 50 Hz wyjście 400 V (dc), 500 W częstotliwość przełączania do 300 khz Bo o st Dio d e AC L in e 2 30 V 5 0 Hz Uo PF C C on trolle r L o ad fs SPP21N5-C3 CoolMOS (SJMOS) HFA15TB60 Si PIN Dioda zamienna CSD04060 4H-SiC MPS (JBS) 29
Zysk ze stosowania diod Schottky ego z węglika krzemu w rzeczywistej aplikacji (2) 2 A/div Warunki pracy diody IF = 2 A dif/dt = 70 A/µs fs = 125 khz Wartości parametrów wyznaczone na podstawie zarejestrowanych przebiegów 1 A/div Si PIN HFA15TB60 Q rr = 110 nc, trr = 69 ns SiC MPS CSD04060 Q = 14 nc, t c rr = 49 ns 30
Zysk ze stosowania diod Schottky ego z węglika krzemu w rzeczywistej aplikacji (3) 1,00 Efficiency 0,98 Oszacowana moc czynna strat związana z wyłączaniem diody 0,96 0,94 0,92 Si SiC 0,90 200 300 400 500 600 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 80 90 100 110 120 Switching Frequency [khz] 130 η@46w λ@46w λη@46w η@530w λ@530w λη@530w szacowane: 0,009 zmierzone: 0,012 Dalszą poprawę współczynnika mocy uzyskano by po zwiększeniu częstotliwości i zmniejszeniu elementów biernych (L, Cout) 0,5 5,50 W 0,70 W Zwiększenie sprawności przy Po = 531 W Load Power [W] Si PIN: SiC MPS: taka sama moc strat w diodzie MPS osiągana jest przy 980 khz 31
Zaburzenia elektromagnetyczne BY329, fs = 300 khz, RG = 10 Ω C3D06, fs = 300 khz, RG = 10 Ω C3D06, fs = 300 khz, RG = 110 Ω 32
Zaburzenia elektromagnetyczne (cd.) BY329, fs = 300 khz, RG = 10 Ω C3D06, fs = 2 MHz, RG = 10 Ω 33
Zysk z zastosowania węglika krzemu w przypadku diod PIN Przetwornica podwyższająca 100 V, 500 W (wyjście) 100 khz Diody Schottky ego wytworzone w laboratorium Brak poprawy sprawności wynika z większych strat mocy statycznych (spadek napięcia na złączu PN przy szerszej przerwie energetycznej) Zmniejszenie względem ultraszybkiej diody krzemowej: Irr(m) o 80% trr o 81% Urr(m) o 7% (34% wzgl. szybkiej) Elasser, IEEE Trans. on Ind. App., 39, 4 34
Praca przyrządów SiC w wysokiej temperaturze Przyrządy SiC JFET + SiC SBD przyrządy dostępne komercyjnie (JFET w konfiguracji kaskody z MOSFETem) zamiast komercyjnych obudów: TO-258, druciki Al Działanie tranzystora JFET Elementy bierne rdzeń dławika ze stopu o temperaturze Curie 500 C, uzwojenia z przewodu 450 C brak kondensatora sterownik bramki poza układem Funaki, IEEE Trans. on Power Electr., 22, 4 35
Praca przyrządów SiC w wysokiej temperaturze (cd.) sprawność szczytowa moc strat w tranzystorze podczas wyłączania napięcie wyjściowe szczytowa moc strat w diodzie podczas wyłączania Funaki, IEEE Trans. on Power Electr., 22, 4 36
Tranzystory MOSFET z węglika krzemu Od dawna liczne doniesienia o przyrządach sterowalnych i półsterowalnych otrzymywanych w laboratoriach Główne źródła problemów MOSFET, MESFET, JFET, SIT, BJT SCR i GTO Liczy się, że SiC-MOSFETy zastąpią Si-IGBT w zakresie do 1200 V, w specyficznych aplikacjach stany powierzchniowe w kanale pułapkowanie nośników i zmniejszenie ich ruchliwości, do 200 cm2/(vs) łagodna charakterystyka przejściowa silniejsze pole elektryczne mniejsza różnica energii pasma przewodnictwa SiO2/SiC niż /Si wysokie częstotliwości zmienne (do niskiego) obciążenie Aktualne parametry 1000 V 10 mω cm2 odpowiada to SJFET 600 V 37
Arsenek galu (GaAs) Główne zalety mniejsze Uj mniejszy Qrr, Qc Pdyn dobrze opanowana technologia SBD, PIN, MESFET 600 V, 20 A Zastosowanie wysokie częstotliwości (> 100 MHz) telekomunikacja mniejszy prąd upływu wyższe Ecrit łagodniejsze wyłączanie nieco wyższa Tmax Osiągane parametry Jednak przewagi SiC Przyrządy (komercyjne) większa ruchliwość mniejsze napięcie na warstwie unipolarnej o tych samych W i ND wyższe Ubr mniejsze napięcie na warstwie unipolarnej dla tej samej wytrzymałości napięciowej Pstat większa przewodność cieplna mniejsza R θ(j-c) mniejszy radiator, większa wytrzymałość prądowa mniejsza rozszerzalność cieplna większy dopuszczalny prąd przeciążeniowy (stosunek IFsm / IF(av)m = 4 względem 2) koszt 38
Porównanie SiC i GaAs Zverev, Silicon Carbide Shottky 39
Azotek galu (GaN) Potencjalnie najlepsze właściwości bardzo niska rezystancja przewodzenia bardzo mały ładunek przejściowy przy wyłączaniu obliczenia teoretyczne Laboratoria tranzystory MESFET, 550 V, 15 A BJT, τ = 300 ps HFET (AlGaN/GaN), 370 V, 20 A, 5 mω cm2, bardzo małe napięcia progowe (~0,1 V) przyrządy wykonane w laboratoriach 40