Węglik krzemu w energoelektronice nadzieje i ograniczenia

Włodzimierz JANKE Politechnika Koszalińska, Wydział Elektroniki i Informatyki Węglik krzemu w energoelektronice nadzieje i ograniczenia Streszczenie. Węglik krzemu jest materiałem półprzewodnikowym, który stwarza szanse na poprawę parametrów elementów energoelektronicznych. Pierwsze produkowane seryjnie elementy półprzewodnikowe z węglika krzemu, czyli diody z barierą Schottky ego pojawiły się na rynku w r. 2001. W licznych opracowaniach naukowo-technicznych i notach aplikacyjnych przedstawione są zalety elementów z SiC na tle właściwości tradycyjnych elementów krzemowych. Celem analiz przedstawionych w tej pracy jest pokazanie, że część optymistycznych opinii na temat zalet elementów z węglika krzemu jest przesadzona. Jednocześnie elementy te są kilkakrotnie droższe od elementów krzemowych o zbliżonych parametrach. Abstract. Silicon carbide is recognized as a very promising semiconductor material, especially for applications in power electronics. The first SiC device Schottky Barrier Diode is commercially available since 2001. There are many papers, conference presentations and application notes discussing the advantages of SiC power devices over the traditional silicon devices. According to the analysis presented in this paper, some opinions concerning the advantages of SiC devices are exaggerated. On the other hand the SiC devices are very expensive as compared to silicon ones, therefore the proper choice of semiconductor device for given power electronic circuits is an involved task. (The advantages and limitations of silicon carbide power devices) Słowa kluczowe: Węglik krzemu, Energoelektronika, Ograniczenia termiczne. Keywords: Silicon carbide, Power electronics, Thermal limitations. Wstęp Parametry węglika krzemu jako materiału półprzewodnikowego stwarzają szansę na wytwarzanie elementów o bardzo korzystnych właściwościach, zwłaszcza dla zastosowań w energoelektronice. Jest to jednak materiał trudny w obróbce technologicznej. Hodowla monokryształów SiC przydatnych do wytwarzania elementów półprzewodnikowych została opracowana na przełomie lat 80-tych i 90-tych XX wieku. Od początku lat 90-tych, firma CREE prowadzi sprzedaż monokrystalicznych płytek SiC i jednocześnie w wielu ośrodkach rozpoczęły się laboratoryjne próby wytwarzania elementów z węglika krzemu. Od tego czasu, w setkach publikacji przedstawiane są doniesienia o wykonaniu laboratoryjnych modeli diod m-s i p-n, tranzystorów MESFET, JFET, MOSFET, IGBT, BJT, SIT i tyrystorów z SiC, opisywane są ich parametry i przedstawiane perspektywy poprawy właściwości układów energoelektronicznych poprzez zastosowanie węglika krzemu. Opisy te są na ogół bardzo optymistyczne. Elementy z SiC przewyższają krzemowe pod względem wielu parametrów użytkowych. Seryjna produkcja elementów półprzewodnikowych z węglika krzemu rozpoczęła się w roku 2001. Obecnie na rynku są dostępne diody Schottky ego (SBD) kilku producentów w dość szerokim asortymencie. Uruchomienie produkcji innych elementów z SiC udaje się w ograniczonym zakresie (pojedyncze typy tranzystorów MESFET, JFET, a w roku 2011 również MOSFET). Parametry techniczne elementów z węglika krzemu dostępnych komercyjnie tylko w części spełniają oczekiwania wynikające z właściwości samego materiału. Z drugiej strony, w literaturze dominują opinie o wyraźnej wyższości elementów z SiC nad krzemowymi. Studiując doniesienia literaturowe można zauważyć, że poza bardzo licznymi, rzetelnymi wynikami badań i analiz pojawiają się prace, w których aktualne i oczekiwane zalety elementów z węglika krzemu są przedstawiane w sposób przesadny. Część takich doniesień pochodzi od producentów elementów z SiC i ma cechy informacji reklamowych. Niektóre z zalet elementów z węglika krzemu należy określić jako potencjalne. Możliwość ich otrzymania wynika z analizy właściwości fizycznych materiału ale nie udało się ich uzyskać w wyrobach produkowanych seryjnie. W drugim rozdziale pracy przedstawiono najczęściej spotykane opinie o zaletach elementów z węglika krzemu. W rozdziale trzecim przytoczono wartości parametrów węglika krzemu (odmiana 4H) istotne w punktu widzenia zastosowań w elektronice. Dla porównania podano też wartości tych parametrów dla krzemu. Przedstawiono pewne bezpośrednie konsekwencje podanych wartości parametrów materiałowych. W dalszej części dokonano analizy czynników wpływających na właściwości użytkowe elementów półprzewodnikowych używanych w energoelektronice. Ograniczono się do tych właściwości, których dotyczą przedstawione wcześniej potoczne opinie. Następnie skonfrontowano opinie przytoczone w rozdziale 2 z parametrami technicznymi elementów SiC dostępnych komercyjnie. W końcowej części pracy omówiono ograniczenia w pracy elementów z SiC, związane z samonagrzewaniem. Popularne opinie o zaletach elementów z węglika krzemu W publikacjach i notach aplikacyjnych pojawiają się liczne informacje o parametrach elementów z węglika krzemu oraz układów w których te elementy zastosowano. Zalety elementów z SiC są zwykle zestawiane z właściwościami tradycyjnych elementów krzemowych. Można więc spotkać w literaturze następujące opinie. A. Węglik krzemu jest materiałem wysokotemperaturowym. Elementy z SiC mogą pracować w znacznie wyższych temperaturach niż krzemowe. Najczęściej przyjmuje się, że maksymalna temperatura pracy elementów krzemowych wynosi 150ºC, a jako maksymalną temperaturę pracy elementów z SiC podaje się 400ºC, 500ºC lub więcej [1-9]. B. Elementy z węglika krzemu mają znacznie większe napięcia dopuszczalne niż elementy krzemowe o podobnej konstrukcji (w bardzo licznych źródłach). C. Elementy z węglika krzemu mają mniejsze rezystancje w stanie włączenia i tym samym mniejszy spadek napięcia przy danym prądzie niż elementy krzemowe o podobnej konstrukcji (np. [2], [4-6], [10-12]). D. Elementy z SiC są szybsze od elementów krzemowych (np. [2], [13], [14], [7]). E. Elementy z węglika krzemu mają lepsze właściwości cieplne niż elementy krzemowe o podobnych rozmiarach (np. [1], [2],[5],[13],[16], [24]). Jako konsekwencje powyższych właściwości wymienia się dużo większą gęstość mocy osiągalną w elementach z SiC w porównaniu z krzemowymi [10], [11], [17]. W opisach podukładów energoelektronicznych podkreśla się często poprawę sprawności energetycznej układów osiągniętą PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 11/2011 41

przez zastąpienie elementów krzemowych, elementami z węglika krzemu [7], [15], [16], [18]. Powyższe opinie są w większości prawdziwe [19], ale pod pewnymi warunkami, nie zawsze jasno wyartykułowanymi. W niektórych źródłach, podobnie jak w innych reklamach, przedstawione porównania odnoszą się do niereprezentatywnych warunków, oparte są na pewnych niedomówieniach i pomijają aspekty niewygodne z punktu widzenia tezy o wyższości SiC nad Si. Publikacje zawierające porównania właściwości wybranych przekształtników (najczęściej falowników lub prostowników z PFC), z elementami z SiC i krzemowymi są nieraz zorganizowane tak, że w układzie krzemowym występują konkretne elementy dostępne na rysunku zaś układ SiC oparty jest na elementach stanowiących modele laboratoryjne. O powtarzalności charakterystyk tych ostatnich na ogół nic nie wiadomo. Wartości parametrów materiałowych i ich bezpośrednie konsekwencje Istnieje wiele odmian krystalograficznych węglika krzemu i najszersze zastosowanie w konstrukcji elementów energoelektronicznych ma odmiana 4H. Porównanie ważniejszych parametrów krzemu i węglika krzemu 4H przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Niektóre parametry krzemu i węglika krzemu 4H Wielkość W G n i E cr µ n v s λ Jedno -3 MV/ ev cm cm 2 W/m /V sek km/s stka cm K SiC Si 3,26 1,12 8 10-9 1,5 10 10 2.0 0.3 700 1350 200 100 450 150 W G szerokość przerwy energetycznej; n i samoistna koncentracja nośników; E cr krytyczne natężenie pola; µ n ruchliwość elektronów, v s prędkość nasycenia; λ konduktywność cieplna. Wartości parametrów podane w tabeli odnoszą się do temperatury pokojowej T = 300K. Takie parametry jak µ n, czy λ odnoszą się do warstw półprzewodnikowych o znikomo małej koncentracji defektów ( w tym domieszek donorowych lub akceptorowych). Wartości W G i n i mają związek z ograniczeniami temperaturowymi. Wartość samoistna koncentracji nośników jest opisana wzorem [20]: (1) n i W A T 2 exp G 2kT gdzie k stała Boltzmanna, A stała nieistotna w dalszych rozważaniach. Na podstawie wartości n i (300K) i szerokości przerwy W G można określić temperaturę T i przejścia w stan samoistny warstwy półprzewodnika o danej koncentracji domieszek N D. Temperatura T i jest czasem interpretowana jako graniczna dla półprzewodnikowych struktur złączowych. Zakładając przykładowo N D = 10 17 cm -3 otrzymujemy wartości T i : T i (Si) 500ºC ; T i (SiC) 1300ºC Temperatura przejścia w stan samoistny jest dla SiC znacznie wyższa niż dla krzemu o tym samym domieszkowaniu i jest to podstawa stwierdzenia A w poprzednim punkcie. Krytyczne natężenie pola ma związek z napięciem przebicia elementu V BR. Dla niesymetrycznego skokowego złącza p-n lub złącza m-s obowiązuje zależność [20]: 2V BR (2) Ecr d gdzie d jest grubością warstwy ładunku przestrzennego zależną od domieszkowania tej warstwy. Wynika stąd, że element z SiC ma ok. 7-krotnie większe napięcie przebicia niż element krzemowy o tych samych rozmiarach i domieszkowaniu (opinia B). Można też przyjąć, że projektując elementy na założone napięcie przebicia można zastosować w elemencie SiC silniejsze domieszkowanie niż w elemencie krzemowym. Opierając się na wzorze (2) i zależności grubości d od napięcia, i domieszkowania J.Baliga [11], [12] podał związek między rezystancją R ON elementu w stanie włączenia a napięciem przebicia V BR i krytycznym natężeniem pola: (3) R ON 2 BR 4V S E gdzie S powierzchnia przekroju warstwy rezystywnej. Z zależności tej, przy uwzględnieniu wartości E cr można wyciągnąć wniosek, że element z węglika krzemu może mieć o ok. 3 rzędów mniejszą rezystancję R ON niż element krzemowy o tym samym napięciu przebicia. Opinia ta oznaczona jako C jest powtarzana w innych publikacjach, (np. [10]). Parametry µ n i v s decydują o szybkości przemieszczania się nośników w półprzewodniku. Dla niewielkich natężeń pola decyduje µ n, dla dużych decydująca jest wartość v s. W trakcie przełączania elementu pomiędzy stanami ON i OFF następują znaczne zmiany natężenia pola w strukturze elementu i w oparciu o dane z tabeli 1 nie można stwierdzić, który materiał zapewnia większą szybkość nośników. Konduktywność cieplna materiału ma wpływ na oporność cieplną R th elementu. Oporność cieplna dla prostopadłościennego obszaru przewodzenia o grubości d i powierzchni przekroju S (przy jednowymiarowym przepływie) wynosi: d (4) R th S Trzykrotnie większa konduktywność cieplna λ węglika krzemu daje zatem trzykrotnie mniejszą wartość oporności cieplnej opisanej wzorem (4) w porównaniu ze strukturą krzemową o tych samych rozmiarach. Powyższe rozważania, będące uzasadnieniem opinii A C oraz E w poprzednim punkcie są skrajnie uproszczone. Do oceny użyteczności elementów z węglika krzemu potrzebna jest bardziej wnikliwa analiza, przedstawiona poniżej. Analiza właściwości wymienionych w rozdziale drugim Czynniki decydujące o parametrach elementów półprzewodnikowych są bardziej złożone niż wynikałoby z powyższego opisu. Łatwo zauważyć, że wartość temperatury T i oszacowanej wyżej nie jest tożsama z dopuszczalną temperaturą wnętrza elementów. Nawet elementy krzemowe mają temperatury dopuszczalne T jmax określane jako 150 C lub 175 C, czyli znacznie niższe od T i (Si) oszacowanej w poprzednim punkcie. Dopuszczalna temperatura wnętrza elementów półprzewodnikowych jest ograniczona głównie czynnikami niezawodnościowymi. Intensywność uszkodzeń związana z procesami degradacyjnymi zależy bardzo silnie od temperatury [21]. Na obecnym poziomie technologii nie widać szans na 3 cr 42 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 11/2011

seryjne wytwarzanie elementów z SiC działających niezawodnie w znacznie szerszym zakresie temperatur niż elementy krzemowe. Problem pewnego typu ograniczeń termicznych jest omawiany w końcowej części pracy. Duże wartości krytycznego natężenia pola E cr w węgliku krzemu zapewniają większe napięcie przebicia elementów z SiC niż elementów krzemowych tego samego typu, o podobnych rozmiarach i domieszkowaniu (stwierdzenie B). Napięcia dopuszczalne są jednak uwarunkowane różnymi czynnikami w elementach o różnej zasadzie działania. O napięciu dopuszczalnym elementów decyduje typowo efekt powielania lawinowego nośników wynikający z jonizacji zderzeniowej. W diodach p-n, efekt powielania lawinowego w formie czystej prowadzi do przebicia (gwałtowne narastanie prądu wstecznego przy zbliżaniu napięcia zaporowego do wartości krytycznej). Obowiązuje wówczas w przybliżeniu równanie (2). W diodzie SBD spolaryzowanej zaporowo obserwuje się miękkie przebicie, gdyż oprócz zjawiska powielania lawinowego występuje trzw. efekt Schottky ego. Wynikowe napięcia dopuszczalne diod Schottky ego są niższe niż diod p-n o podobnej konstrukcji. Diody SBD z węglika krzemu mają większe napięcie dopuszczalne niż krzemowe diody Schottky ego, ale ustępują pod tym względem niektórym typom krzemowych diod p-n. Zależność napięcia przebicia uwarunkowanego zjawiskiem powielania nośników od domieszkowania prowadzi do wzoru (3). Wzór ten opisuje jednak rezystancję tylko jednej z warstw w strukturze elementu a nawet dla niej jest oparty na grubych uproszczeniach. Spadek napięcia zależy od wielu czynników i zależności te są różne dla różnych elementów. W celu porównania spadków napięcia na różnych rodzajach elementów energoelektronicznych dogodnie jest przyjąć zgrubny podział struktury elementu na obszar czynny (idealny), w którym zachodzą zjawiska decydujące o głównych cechach elementu oraz obszar omowy przez który przepływa prąd między obszarem czynnym a zaciskami zewnętrznymi. Napięcie V F między głównymi końcówkami elementu w stanie przewodzenia przedstawiamy w formie: (5) VF I F rs Vi gdzie I F prąd przewodzenia, V i napięcie na strukturze idealnej (obszarze czynnym), zaś r S wypadkowa pasożytnicza rezystancja szeregowa. W przypadku diod, składnik V i jest napięciem na idealnym złączu p-n lub m-s przewodzącym prąd I F i wynosi: (6) k T Vi q ln gdzie q ładunek elementarny, I S prąd nasycenia złącza. Przyjmując elementarne opisy prądu nasycenia w złączu p- n i m-s otrzymujemy: (7) I I F S kt I Vi B ln q AT F B jest napięciem bariery, która w złączu p-n odpowiada szerokości przerwy energetycznej W G zaś w złączu m-s różnicy prac wyjścia między metalem i półprzewodnikiem (w przybliżeniu). Czynnik AT, gdzie A, - stałe, ma sens prądu znacznie większego od I F, dlatego drugi składnik wzoru (7) jest ujemny a jego wartości są zbliżone dla różnych złącz przewodzących prąd o tej samej gęstości, w tej samej temperaturze. Zróżnicowanie V i dla diod p-n i m-s z krzemu i z węglika krzemu wynika ze zróżnicowania wartości B. Przykładowe wartości B zestawiono w tabeli 2. Tabela 2. Przykładowe wartości napięcia bariery B (w woltach) w temperaturze pokojowej. Rodzaj diody Materiał Si 4H-SiC p-n 1.12 3.26 Schottky 0,4 0,7 0,7 0,9 Przyjmując, że porównujemy diody przewodzące prąd o tej samej gęstości w tej samej temperaturze mamy następujące prawidłowości. Zarówno dla Si jak i dla SiC: (8) B( p n) B( m s) i w konsekwencji (9) Vi ( p n) Vi ( m s) Dla diod p-n i m-s (10) B ( SiC ) B ( Si) czyli (11) Vi ( SiC ) Vi ( Si) Idealny składnik V i napięcia na przewodzącym złączu p-n lub m-s jest większy dla elementów SiC niż dla elementów krzemowych. W tranzystorach bipolarnych BJT lub IGBT, wartość V i jest różnicą napięć na dwóch przewodzących złączach i w elementach z SiC jest nieco większa niż w tranzystorach krzemowych. W tranzystorach polowych, idealny składnik napięcia V i w stanie silnego przewodzenia można przedstawić jako: (12) Vi I F rch gdzie I F jest w tym wypadku prądem drenu, zaś rezystancja kanału r CH dla tranzystorów MOSFET wynosi w przybliżeniu (13) r CH B( V GS 1 V Wielkość B (parametr transkonduktancyjny) wynosi: o ox W (14) B tox L W, L to długość i szerokość kanału, t OX grubość izolatora pod bramką. Rezystancja kanału tranzystora JFET wynosi w przybliżeniu: 1 (15) rch q N D gdzie N D jest koncentracją domieszek w kanale, a β jest parametrem geometrycznym. Wartość r CH dla tranzystorów MOSFET i JFET jest odwrotnie proporcjonalna do ruchliwości nośników w kanale. Zakładając kanał typu n, na podstawie danych z Tabeli 1 widać, że z punktu widzenia wpływu ruchliwości na r CH, użycie węglika krzemu jest mniej korzystne niż krzemu. Występuje ponadto różnica między tranzystorami MOSFET normalnie wyłączonymi a tranzystorami normalnie załączonymi, takimi jak JFET. W tym ostatnim, rezystancja p ) PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 11/2011 43

r CH zależy od domieszkowania obszaru stanowiącego kanał. W tranzystorach z węglika krzemu, ze względu na większe E cr można stosować wyższe domieszkowanie niż w krzemowych. W tranzystorach MOSFET parametr r CH nie zależy bezpośrednio od domieszkowania a w MOSFET-ach z węglika krzemu ruchliwość w przypowierzchniowym obszarze kanału jest znacznie mniejsza niż w głębi struktury półprzewodnikowej, z powodu defektów powstających przy osadzaniu izolatora SiO 2. Wpływa to niekorzystnie na wartość r CH, ale dzięki postępom w technologii, ruchliwości nośników w kanale tranzystorów MOSFET z SiC będą prawdopodobnie osiągać coraz większe wartości (które zgodnie z tabelą 1 będą i tak mniejsze niż w elementach krzemowych). Pasożytniczą rezystancję szeregową r S elementu można zgrubnie podzielić na rezystancję r P warstw półprzewodnika (poza obszarem czynnym) i rezystancję styków oraz doprowadzeń metalowych r M. Składnik r P zależy od domieszkowania odpowiednich warstw półprzewodnika. Typowo występują dwie warstwy półprzewodnika, słabo domieszkowana o rezystancji r P1 i silnie domieszkowane podłoże o rezystancji r p2, zatem: (16) rs rp1 rp2 rm Wcześniejsze rozważania związane z krytycznym natężeniem pola odnoszą się tylko do składnika r P1. Wartość r P1 w elemencie z SiC może być znacznie mniejsza niż w elemencie krzemowym o podobnych rozmiarach i zbliżonym napięciu przebicia. Rola składnika r P1 rezystancji szeregowej jest inna w elementach unipolarnych niż w bipolarnych. W elementach bipolarnych (diody ze złączem p-n, tranzystory BJT i IGBT) występuje zjawisko modulacji konduktywności wynikające z mechanizmu wprowadzania nośników mniejszościowych (w diodzie p + n wprowadzanie dziur do sąsiedniego obszaru n). W konsekwencji, w miarę wzrostu prądu, rezystancja warstwy słabo domieszkowanej warstwy r P1 maleje. W elementach unipolarnych (diody Schottky ego, tranzystory polowe), napięcie I F r S na pasożytniczej rezystancji szeregowej przy wzroście prądu rośnie liniowo (r S = const w ustalonej temperaturze) zaś w elementach bipolarnych (diody p-n, tranzystory BJT i IGBT) rośnie wolniej niż liniowo (bo r S maleje). Charakter powyższego zjawiska jest taki sam w elementach z Si i SiC. Jak wynika z powyższych rozważań, wartość spadku napięcia V F na elemencie w stanie silnego przewodzenia zależy od wielu czynników. Stwierdzenie C w rozdziale 2 jest na ogół niesłuszne. Stwierdzenie D w rozdziale drugim stanowi przykład pomieszania pojęć. O szybkości pracy elementu półprzewodnikowego w typowych zastosowaniach energoelektronicznych decyduje czas wyłączania, czyli przejścia ze stanu silnego przewodzenia (ON) do stanu nieprzewodzenia (OFF). Porównując elementy o podobnym prądzie dopuszczalnym, obserwujemy wyraźną różnicę między elementami unipolarnymi (diody SBD, tranzystory polowe) i bipolarnymi (diody p-n, tranzystory BJT i IGBT). Te pierwsze są szybsze, gdyż nie występuje w nich efekt gromadzenia nośników mniejszościowych, typowy dla elementów bipolarnych i ograniczający ich szybkość. Inne mechanizmy, np. przeładowywanie pojemności złączowych przebiegają podobnie w obu grupach elementów. Wartości ruchliwości i prędkości nasycenia nośników mają stosunkowo niewielki wpływ na szybkość przełączania współczesnych elementów energoelektronicznych. Elementy z SiC nie są z natury szybsze od elementów z Si. Jeśli z powodu innych parametrów (zwykle chodzi o napięcie dopuszczalne) możemy w danym układzie zastąpić krzemową diodę p-n diodą Schottky ego z węglika krzemu to zyskujemy na szybkości. Dioda Schottky ego jest bowiem szybsza niż p-n, a jeśli w układzie było wymagane napięcie dopuszczalne diody np. 1kV to nie znaleźliśmy odpowiedniej krzemowej diody Schottky ego. Jeśli jednak projektujemy układ, w którym napięcia nie przekraczają 50V i zależy nam na szybkości, powinniśmy zastosować krzemową diodę Schottky ego, bo przy podobnej szybkości przełączania jest tańsza i ma mniejszą wartość V F niż dioda z SiC. Opinia na temat mniejszych rezystancji termicznych elementów z SiC w porównaniu z krzemowymi (punkt E w rozdziale 2) opiera się na tym, że konduktywność cieplna 4H-SiC jest około trzykrotnie większa niż Si. Wpływ rodzaju materiału (SiC czy Si) na efektywną rezystancję termiczną jest jednak mniejszy niż by wynikało ze wzoru (4). Po pierwsze, sama warstwa półprzewodnika (o grubości rzędu 0,5mm) ma mały wpływ na efektywną rezystancję termiczną elementu wraz z obudową i radiatorem. Po drugie, wartość w tabeli 1 dotyczy czystego materiału, a wszelkie defekty, znacząco obniżają wypadkową konduktywność cieplną. Z danych technicznych różnych typów elementów, i z własnych pomiarów nie wynikają znaczące różnice między rezystancjami termicznymi elementów z SiC i Si o podobnych pozostałych parametrach. Porównanie parametrów technicznych elementów z krzemu i węglika krzemu Obiektem porównań przedstawionych w tym rozdziale są wyłącznie elementy produkowane seryjnie, a informacje o porównywanych parametrach pochodzą z arkuszy danych prezentowanych przez producentów. Parametry te dotyczą diod prostowniczych oraz tranzystorów JFET i MOSFET, gdyż tylko takie elementy energoelektroniczne z SiC są oferowane przez dystrybutorów (tranzystory MESFET nie są typowymi elementami energoelektronicznymi). Analiza danych technicznych wielu typów elementów pokazuje, że nie ma znaczących różnic w wartościach dopuszczalnej temperatury wnętrza T jmax między elementami Si i SiC. Wartość T jmax większości krzemowych diod i tranzystorów polowych wynosi 150 C, a dla niektórych typów 175 C. Diody SBD z węglika krzemu mają z reguły wartość T jmax =175 C. Tranzystory JFET z SiC mają dopuszczalną temperaturę 150 C, a MOSFET-y z tego materiału, 125 C. Wartości napięć dopuszczalnych V BR diod i tranzystorów (zwłaszcza krzemowych) są zróżnicowane. Jeśli zabiegi technologiczne zapewniają uzyskanie dużych wartości napięć V BR to odbywa się to kosztem innych parametrów. Napięcia dopuszczalne produkowanych obecnie diod prostowniczych z SiC wynoszą najczęściej 600 lub 1200V, rzadziej 1700V. Istnieją prostownicze diody krzemowe o podobnych lub większych wartościach V BR. Różnica jest taka, że diody prostownicze z SiC są diodami Schottky ego, a więc elementami o bardzo małych wartościach czasów wyłączania. Nie ma na rynku krzemowych diod SBD o tak dużych napięciach dopuszczalnych. Wysokonapięciowe diody krzemowe są wyłącznie diodami ze złączem p-n, których czasy wyłączania są znacznie większe niż dla diod SBD z węglika krzemu o tych samych napięciach dopuszczalnych. Napięcia przewodzenia V F (określone typowo przy maksymalnym prądzie przewodzenia I FM ) diod wysokonapięciowych (krzemowe p-n i Schottky ego z SiC) są podobnego rzędu w pokojowej temperaturze. Przy wzroście temperatury wartość V F diod Schottky ego wyraźnie rośnie, zaś dla diod p-n zmienia się niewiele. 44 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 11/2011

Napięcia V F krzemowych diod Schottky ego (o napięciach dopuszczalnych V BR, zwykle nie więcej niż 100V) są niższe niż krzemowych diod p-n i diod SBD z węglika krzemu, z reguły poniżej 1V w temperaturze pokojowej. Przykłady parametrów diod (krzemowe p-n i SBD oraz SBD z SiC) przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Przykładowe parametry diod prostowniczych. Symbol APT2X101 35CLQ C2D D100J 045 10120A Rodzaj p-n Schottky Schottky Materiał Si Si SiC V BR [V] 1000 45 1200 I FM [A] 95 35 10 V F [V] przy I F [A] 1,9 100 0,75 35 1,8 10 R thj-c [k/w] 0,32 0,70 0,48 T jmax [ºC] 175 150 175 Napięcia dopuszczalne dren-źródło tranzystorów polowych z węglika krzemu osiągają wartość 1200V. Wśród tranzystorów polowych z krzemu, napięcia V BR na ogół nie przekraczają 1000V; tranzystory na większe napięcia są wykonywane raczej jako IGBT. Pracę tranzystora polowego w stanie silnego przewodzenia opisuje się przez podanie rezystancji R DSON przy danym prądzie drenu i napięciu V GS. Porównując dostępne tranzystory JFET i MOSFET z SiC z tranzystorami krzemowymi o zbliżonych napięciach dopuszczalnych, nie stwierdzamy istotnych różnic pod względem wartości iloczynu R DSON (I D ) I D. Przykłady parametrów tranzystorów polowych z krzemu i węglika krzemu przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4. Wybrane parametry tranzystorów polowych z SiC i Si Symbol SJDP CMF20 APT36N 120R085 120D 90BC36 Rodzaj JFET MOSFET MOSFET Materiał SiC SiC Si V BR [V] 1200 1200 900 I FM [A] 52 33 36 V F [V] przy I F [A] >3 2 1.6 20 1.8 10 R thj-c [k/w] 1,1 0,58 0,3 T jmax [ºC] 150 125 150 Ograniczenia temperatury wnętrza związane z samonagrzewaniem Mówiąc o ograniczeniach termicznych w pracy elementów należy odróżnić mechanizmy wynikające ze wzrostu temperatury otoczenia od mechanizmów związanych z samonagrzewaniem [21]. Główną przyczyną ograniczenia temperatury pracy elementów półprzewodnikowych (rozumianej jako temperatura otoczenia) jest zależność szybkości procesów degradacyjnych od temperatury. Inny charakter mają ograniczenia związane z samonagrzewaniem, czyli zależnością temperatury wnętrza od mocy traconej w elemencie. Samonagrzewanie powoduje zmiany kształtu charakterystyk prądowo-napięciowych elementu, co w pewnych warunkach może prowadzić do uszkodzeń. Na tle znanych opinii o wysokotemperaturowym charakterze elementów z węglika krzemu, zaskakujące są oszacowania z prac [22, 23, 24] dotyczące skutków samonagrzewania. Wynika z nich, że gdy prąd w elemencie z SiC zbliża się do wartości krytycznej I cr, której w związku z samonagrzewaniem odpowiada temperatura wnętrza T j1, musi rozpocząć się proces ucieczki cieplnej, prowadzący do zniszczenia elementu. Dla realistycznych parametrów elementu oszacowano wartość T j1 odpowiadającą prądowi I cr jako 238ºC [22]. Zakładając margines bezpieczeństwa i przyjmując graniczną wartość prądu jako 0.9 I cr otrzymuje się wartość temperatury granicznej wnętrza T j2 = 110ºC, przy temperaturze otoczenia T a = 25ºC [22]. Dokładniejsze badania tego mechanizmu na przykładzie diody Schottky ego [25-28] pokazują, że nieizotermiczna charakterystyka prądowo napięciowa posiada ekstremum w punkcie odpowiadającym krytycznej wartości prądu. Przy zasilaniu diody Schottky ego ze źródła o skończonej rezystancji wewnętrznej nie obserwuje się efektu ucieczki cieplnej ale napięcie na diodzie (w kierunku przewodzenia) odpowiadające krytycznej wartości prądu może osiągać nieakceptowane wartości. Konstrukcja diody Schottky ego określana jako MPS (z wbudowanym złączem p-n) może zabezpieczać przed nadmiernym wzrostem napięcia ale tylko dla odpowiednio małych wartości rezystancji termicznej [28].. Podsumowanie Celem pracy było wskazanie, że część opinii na temat parametrów elementów z węglika krzemu i układów z nich złożonych jest formułowana przesadnie i zbyt optymistyczna. Niektóre z tych opinii kształtują się zapewne pod wpływem zabiegów marketingowych podejmowanych przez producentów elementów. Analizując doniesienia o właściwościach elementów z węglika krzemu należy odróżnić parametry elementów dostępnych na rynku od parametrów modeli laboratoryjnych, oraz od parametrów przewidywanych na podstawie analiz czy symulacji Niektóre z potencjalnych zalet elementów z węglika krzemu wydają się szczególnie trudne do praktycznego zrealizowania. Przykładem jest zdolność elementów SiC do pracy z wysokimi temperaturami wnętrza, zapowiadana w bardzo wielu publikacjach. Dane techniczne elementów SiC dostępnych na rynku nie potwierdzają tych zapowiedzi. Z drugiej strony niektóre zalety dostępnych komercyjnie elementów z SiC są bardzo wyraziste. Przykładem są napięcia dopuszczalne diod SBD z SiC, znacznie wyższe niż krzemowych diod Schottky ego. Inne, obecnie potencjalne zalety mogą być stopniowo osiągane, zaś asortyment elementów z SiC dostępnych na rynku będzie z pewnością poszerzany. Wiąże się to oczywiście z postępami w trudnej technologii wytwarzania struktur elementów z SiC. Postępy te prowadzą też do stopniowego obniżania cen elementów z węglika krzemu. Wydaje się jednak obecnie, że postępy te są wolniejsze niż przewidywano kilka lat temu. LITERATURA [1] Lisik Z., Węglik krzemu w nowoczesnych pojazdach samochodowych, Ogólnopolskie Seminarium Rozwój technologii węglika krzemu w Polsce, Warszawa, (2011). [2] Willander M. et al. Silicon carbide and diamond for high temperature device applications, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 17 (2006), pp. 1-25. [3] Funaki T. et al., Switching characteristics of SiC JFET and Schottky diode in high-temperature dc-dc power converters, IEICE Electronic Express, Vol. 2, N.3 (2005), pp. 97-102. [4] Buttay C. et al., State of the art of high temperature powe electronics, Materials Science Engineering, Vol. 176, N. 4, March (2011), pp. 283-288. [5] Rąbkowski J., Silicon carbide JFET fast, high voltage semiconductor device for power electronics applications, Przegl. Elektrotechniczny, R.85, Nr 4 (2009), str. 165-168. [6] Zdanowski M., Rąbkowski J., Falownik prądu z tranzystorami SiC JFET, Konferencja PES-7 Kościelisko, 22-26 czerwca (2009). [7] Elasser A., Chow T.P., Silicon carbide benefits and advantages for power electronics circuits and systems, Proc. IEEE Vol. 90, N. 6, June (2002), pp. 969-985. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 11/2011 45

[8] Funaki T. et al., Power conversion with SiC devices at extremely high ambient temperatures, IEEE Trans. On Power Electronics 22 N. 4, July (2007), pp. 1321-1329. [9] Wendeck P. G. et al., Stable electrical operation of 6H-SiC JFETs and ICs for thousands of hours at 500ºC, IEEE Electron Device Lett. 29, N.5 (2008), pp. 456-459. [10] Szmidt J. i inni, Zaawansowane technologie i struktury półprzewodnikowe; W monografii: W. Janke (red): Wybrane zagadnienia współczesnej elektroniki, Koszalin, (2011), Rozdział II, str. 11-65. [11] Baliga J., Advanced power rectifier concepts, Springer (2009), Ch. 2: Schottky rectifiers. [12] Baliga J., The future of power semiconductor device technology, Proc. IEEE, Vol. 89, N. 6, June (2001), pp. 822-831. [13] Selection guide of SiC Schottky diode in CCMPEC applications, Cree Inc. Appl. Note CPWR-AN 05, REV, Aug. (2006). [14] Agarval A., Ryu S-H, Status of SiC power devices and manufacturing issues, CS Mantech Conference, April 24-27, (2006), Vancouver, pp. 215-218. [15] Singh R., Richmond J., SiC Power Schottky diodes in power factor correction circuits, CREE Inc. AN01, (2002). [16] O Neill M., The benefits of using a Cree Inc IGBT/SiC Schottky CoPack in AC inverter applications, Cree Inc. CPWR-AN06. Rev., Sept. (2006). [17] Majumar G., Domori T., Some key reserches on SiC device technologies and their predicted advantages, Power Electronics Europe, Issue 6, (2009), pp. 18-22. [18] Hodge S., SiC Schottky diodes in power factor correction, Power Electronics Technology, Aug. (2004), pp. 14-18. [19] Barlik R., Znaczenie podzespołów elektrycznych na bazie węglika krzemu dla energoelektroniki, Ogólnopolskie Seminarium Rozwój technologii węglika krzemu w Polsce, (2011), Warszawa, 16.03.2011. [20] Sze S.M., Physics of semiconductor devices, J. Wiley, 1981. [21] Janke W., Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych, WNT, Warszawa, (1992). [22] Sheng K., Maximum junction temperatures of SiC power devices, IEEE Tr. on Electron Devices, Vol. 56, N. 2, Feb. (2009), pp. 337-342. [23] Pyo S., Sheng K., Junction temperature dynamics of power MOSFET and SiC diode, Proc. IPEMC, (2009), pp. 269-271. [24] Wrzecionko B. et al., SiC Power semiconductor in HEVs: influence of junction temperature on power density, Chip utilization and efficiency, IECON Proc. (2009), pp. 3870-3876. [25] Janke W., Hapka A., The thermally induced limitations of SiC SBD s operation conditions, Microelectronics Journal, (2011), doi: 10.1016 (w druku) [26] Janke W., Hapka A., The current voltage characteristics of SiC Schottky barrier diodes with the self-heating included, Therminic Conference, 6-8 Oct. (2010), Barcelona, Spain. [27] Janke W., Hapka A., Influence of series resistance on thermally induced limitations of SiC Schottky diodes, Elektronika, nr 2, (2011), pp. 163-165. [28] Hapka A., Janke W., Wpływ warunków pracy na charakterystyki statyczne diod MPS z węglika krzemu, X KKE, (2011), Darłówko, 5-9.06.2011. Autor: prof. dr hab. inż. Włodzimierz Janke, Politechnika Koszalińska, Wydział Elektroniki i Informatyki, ul. Śniadeckich 2, 75-453 Koszalin, E-mail: wjanke@man.koszalin.pl 46 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 11/2011