la stragrande maggioranza dei circuiti integrati a semiconduttore in uso oggi si basano su ossido di metallo transistor a effetto di campo a semiconduttore (mosfet), i cui vantaggi elettronici e operativi la fisica del dispositivo è sintetizzata nel capitolo di katsumata e altrove. dato l'estremo utilità e successo dell'elettronica di inversione basata su mosfet nel silicio vlsi (come pure dispositivi di potenza discreti in silicio), è naturalmente auspicabile implementare l'inversione ad alte prestazioni canale mosfets in sic. come il silicio, si forma una termica quando è sufficientemente riscaldata in un ambiente di ossigeno. mentre ciò consente alla tecnologia sic mos di seguire in qualche modo il grande successo percorso della tecnologia silicon mos, ci sono tuttavia importanti differenze nella qualità dell'isolante e elaborazione dei dispositivi che attualmente impedisce ai sic mosfet di realizzare appieno i loro benefici potenziale. mentre il seguente discorso tenta di evidenziare rapidamente i principali problemi che devono affrontare Sic Mosfet sviluppo, approfondimenti più dettagliati si possono trovare nei riferimenti 133-142. da un punto di vista puramente elettrico, ci sono due principali carenze operative di ossidi di sic e mosfet rispetto ai mosfet di silicio. in primo luogo, la mobilità dei canali di inversione effettiva nella maggior parte dei mosfet sic sono inferiori a quanto ci si aspetterebbe basandosi sulle comunicazioni con carrier mosfet di inversione del silicio. questo riduce seriamente il guadagno del transistor e la capacità di portare corrente di sic mosfets, così che sic i mosfet non sono così vantaggiosi quanto teoricamente previsto. secondo, gli ossidi di sic non hanno dimostrato come affidabili e immutabili come ossidi di silicio ben sviluppati, in quanto i mosfet sic sono più inclini variazioni di tensione di soglia, perdite di gate e guasti all'ossido rispetto ai mosfet di silicio con polarizzazione comparabile. in In particolare, le carenze di prestazioni elettriche dell'ossido di mosfet sono attribuite alle differenze tra il silicio e la qualità dell'ossido termico sicure e la struttura dell'interfaccia che causano l'ossido sicco di manifestarsi in modo indesiderato livelli più alti di densità dello stato dell'interfaccia ( ), cariche di ossido fisse ( ), intrappolamento di carica, tunneling dell'ossido di carrier e riduzione della mobilità dei portanti del canale di inversione. nel mettere in evidenza le difficoltà che si trovano ad affrontare lo sviluppo di mos moset, è importante tenerlo presente i primi mosfet al silicio hanno anche affrontato sfide evolutive che hanno richiesto molti anni di ricerca dedicata sforzi per superare con successo. anzi, enormi miglioramenti nelle prestazioni del dispositivo 4h-sic mos sono stati raggiunti negli ultimi anni, dando speranza che benefici dispositivi di potenza moschettica 4h-sic per funzionamento fino a 125 ° c temperature ambientali potrebbero essere commercializ...
I dispositivi e gli ics a semiconduttore di tipo ambiente ostile sono di poco vantaggio se non possono essere impacchettati e collegati in modo affidabile per formare un sistema completo in grado di operare in ambiente ostile. con un'adeguata selezione dei materiali, le modifiche delle attuali tecnologie di imballaggio ic sembrano fattibili per imballaggi di circuiti non energetici fino a 300 ° c. I recenti lavori stanno iniziando a soddisfare le esigenze delle applicazioni elettroniche aerospaziali più esigenti, i cui requisiti includono il funzionamento in ambienti ad alta temperatura di ossidazione a 500-600 ° C ad alta vibrazione, a volte con una potenza molto elevata. ad esempio, sono stati dimostrati alcuni prototipi di pacchetti elettronici e circuiti stampati che possono resistere a più di mille ore a 500 ° c. componenti passivi di ambienti ostili quali induttori, condensatori e trasformatori, devono anche essere sviluppati per il funzionamento in condizioni impegnative prima che i vantaggi a livello di sistema completi dell'elettronica sic discussa nella sezione 5.3 possano essere realizzati con successo.
questa sezione riassume brevemente una varietà di dispositivi sic elettronici progettati in base alle principali aree di applicazione. Le problematiche relative ai processi e alle tecnologie dei materiali che limitano le capacità delle varie topologie dei dispositivi sic sono evidenziate come questioni chiave da affrontare in un'ulteriore maturazione della tecnologia. in tutta questa sezione, dovrebbe risultare evidente al lettore che la sfida generale più difficile che impedisce a sic elettronica di raggiungere pienamente le capacità utili è raggiungere un'elevata affidabilità operativa a lungo termine, mentre si opera in regimi di temperatura e densità di potenza precedentemente non raggiunti. poiché molti limiti di affidabilità del dispositivo possono essere ricondotti a questioni fondamentali di materiale e giunzione / interfaccia già menzionate nelle sezioni 5.4 e 5.5, gli sforzi per consentire un'elettronica utile (vale a dire, affidabile) dovrebbero concentrarsi sui miglioramenti a queste aree fondamentali.
l'ampia banda proibita di sic è utile per la realizzazione di optoelettronica blu e ultravioletta (uv) a lunghezza d'onda corta. Diodi emettitori di luce a giunzione pn basati su 6h-sic (led) sono stati i primi dispositivi a semiconduttore per coprire la porzione blu dello spettro di colori visibile, e divenne il primo dispositivo sic-based a raggiungere vendite commerciali ad alto volume. perché il bandgap di sic è indiretto (cioè il minimo di conduzione e il massimo della banda di valenza non coincide con lo spazio del momento cristallino), la ricombinazione luminescente è intrinsecamente inefficiente. pertanto, i LED basati su giunzioni sic sic erano resi obsoleti dall'emergere di molto più luminoso, molto più efficiente gruppo di nitroglicani diretti a bandgap (iii-n tale come gan e ingan) led blu. tuttavia, i wafer sic sono ancora impiegati come uno dei substrati (insieme allo zaffiro) per la crescita degli strati di III-n utilizzati nella produzione in grande quantità di verde e blu led a nitruro. sic ha dimostrato di essere molto più efficiente nell'assorbire la luce a lunghezza d'onda corta, che ha permesso a realizzazione di fotodiodi sensibili alla luce UV che fungono da eccellenti sensori di fiamma nel motore a turbina monitoraggio e controllo della combustione. la vasta banda proibita di 6h-sic è utile per la realizzazione basse correnti scure del fotodiodo e sensori che sono ciechi a lunghezze d'onda del vicino infrarosso indesiderate prodotto da calore e radiazione solare. sensori di fiamma uv basati sul commercio, basati ancora su epitassiale i diodi a giunzione 6h-sic pn essiccati a secco mesa-etch hanno ridotto con successo l'inquinamento nocivo emissioni da turbine a gas a terra utilizzate nei sistemi di generazione di energia elettrica. il le basse correnti scure dei diodi sic sono anche utili per il rilevamento di raggi X, ioni pesanti e neutroni nel nucleare monitoraggio del reattore e studi scientifici avanzati di collisioni di particelle ad alta energia e cosmiche radiazione.
l'uso principale dei dispositivi sic rf sembra risiedere nell'amplificazione ad alta potenza allo stato solido ad alta frequenza a frequenze da circa 600 mhz (banda uhf) fino a qualche gigahertz (banda x). come discusso molto più dettagliatamente nei riferimenti 5, 6, 25, 26, 159 e altrove, l'alta tensione di rottura e l'elevata conduttività termica accoppiate con un'elevata velocità di saturazione della portante consentono ai transistor sic rf di gestire densità di potenza molto più elevate rispetto al loro silicio o gaas controparti rf, nonostante lo svantaggio di sic nella mobilità dei portatori di campo basso (tabella 5.1). la maggiore conduttività termica di sic è anche cruciale nel minimizzare l'auto-riscaldamento del canale in modo che la diffusione di fononi non peggiori seriamente la velocità di portatore. questi vantaggi di potenza rf argomenti di potenza si applicano a una varietà di diverse strutture di transistor come mesfets e transistor di induzione statica (sedute) e altri semiconduttori a banda proibita (come i gruppi iii-nitruri) oltre a sic. l'elevata densità di potenza dei transistor a banda larga si rivelerà molto utile nella realizzazione di applicazioni di trasmettitori a stato solido, dove la potenza più elevata con dimensioni e massa ridotte sono fondamentali. un numero inferiore di transistor in grado di funzionare a temperature più elevate riduce i requisiti di corrispondenza e raffreddamento, portando a dimensioni e costi complessivi ridotti di questi sistemi. i mesfet RF ad alta frequenza basati su sic sono ora disponibili in commercio. tuttavia, è importante notare che ciò si è verificato dopo anni di ricerca fondamentale rintracciati ed eliminata scarsa affidabilità a causa degli effetti di intrappolamento della carica derivanti da substrati semi-isolanti immaturi, epilayer del dispositivo e passivazione superficiale. un importante progresso materiale che consentiva un funzionamento affidabile era lo sviluppo di substrati semi-isolanti \"di elevata purezza\" (necessari per ridurre al minimo le capacità dei dispositivi parassiti) con molto meno intrappolamento di carica indotto rispetto ai wafer semi-isolanti precedentemente drogati con vanadio precedentemente sviluppati. i dispositivi sic mesfet fabbricati su substrati semi-isolanti sono concepibilmente meno sensibili. a conseguenze negative di rendimento derivanti da micropipes rispetto ai dispositivi di commutazione verticali ad alta potenza, principalmente perché una micropipe ad asse c non può più accorciare insieme due lati conduttori di una giunzione ad alto campo nella maggior parte delle aree della struttura del mesfet del canale laterale. i diodi del mixer sic sono anche promettenti per ridurre le interferenze di intermodulazione indesiderate nei ricevitori RF. più di 20 db di miglioramento della gamma dinamica è stato dimostrato utilizzando miscelatori diodi schottky sic ottimizzati. a seguito di ulteriori sviluppi e ottimizzazioni, i miscelatori sic-based...
la maggior parte dei circuiti analogici di condizionamento del segnale e della logica digitale sono considerati \"livello di segnale\" in quei singoli transistor in questi circuiti di solito non richiedono più di qualche milliampere di corrente e \u0026 lt; 20 v per funzionare correttamente. i circuiti silicio-on-isolante disponibili in commercio possono eseguire complesse funzioni di livello segnale digitale e analogico fino a 300 ° c quando non è richiesta un'elevata potenza [163]. oltre a ics in cui è vantaggioso combinare il segnale funzioni di livello con sensori / mems sic ad alta potenza o unici su un singolo chip, solo circuiti sic più costosi l'esecuzione di funzioni a livello di segnale a bassa potenza appare in gran parte ingiustificabile per le applicazioni a bassa radiazione a temperature inferiore a 250-300 ° c. al momento della stesura di questo documento, non esistono transistor a semiconduttore o circuiti integrati disponibili in commercio (sic o altrimenti) per l'uso a temperature ambiente superiori a 300 ° c. anche se i prototipi di laboratorio ad alta temperatura basati su sic hanno migliorato significativamente nell'ultimo decennio, il raggiungimento dell'affidabilità operativa a lungo termine rimane la principale sfida di realizzare dispositivi e circuiti utili 300-600 ° C. tecnologie circuitali che sono state utilizzate per implementare con successo vlsi circuiti in silicio e gaas come cmos, ecl, bicmos, dcfl, ecc., sono a vari gradi candidati per t \u0026 gt; 300 ° c sic circuiti integrati. l'affidabilità dell'antenna-gate ad alta temperatura (sezione 5.5.5) è fondamentale per la realizzazione di successo di circuiti integrati basati su mosfet. La perdita di diodo schottky gate-to-channel limita la temperatura operativa di picco dei circuiti sic mesfet a circa 400 ° c (sezione 5.5.3.2). pertanto, i dispositivi basati su giunzione pn come transistor bipolari a giunzione (bjts) e transistor ad effetto di giunzione (jfets), sembrano essere tecnologie più forti (almeno nel breve termine) per ottenere un funzionamento a lungo termine a 300-600 ° c ambienti. Poiché i circuiti a livello di segnale sono azionati a campi elettrici relativamente bassi, ben al di sotto della tensione di guasto elettrico della maggior parte delle dislocazioni, le micropipette e altre dislocazioni di sicure influenzano i rendimenti del processo del circuito in misura molto minore di quanto influiscano sui rendimenti dei dispositivi di potenza ad alto campo. al momento della stesura di questo manuale, sono stati dimostrati in laboratorio alcuni transistor discreti e una logica di prototipo su piccola scala e amplificatori analogici ics che utilizzano variazioni sic di topologie di dispositivi nmos, cmos, jfet e mesfet. tuttavia, nessuno di questi prototipi è commercialmente valido al momento della stesura di questo documento, in gran parte a causa della loro incapacità di offrire un funzionamento elettricamente stabile di durata prolungata a temperature...
le proprietà materiali intrinseche e la fisica di base dietro i grandi vantaggi teorici del silicio per i dispositivi di commutazione di potenza sono state discusse nella sezione 5.3.2. allo stesso modo, è stato discusso nella sezione 5.4.5 che i difetti cristallografici trovati in wafer sic e epilayers sono attualmente un fattore primario che limita la commercializzazione di dispositivi di commutazione ad alta potenza sic sic utili. questa sezione si concentra sugli aspetti di sviluppo aggiuntivi dei raddrizzatori di potenza sic e delle tecnologie di transistor a commutazione di potenza. La maggior parte dei prototipi di dispositivi di alimentazione utilizzano topologie e caratteristiche simili come controparti a base di silicio come flusso verticale di alta corrente attraverso il substrato per massimizzare la corrente del dispositivo utilizzando un'area di wafer minima (ossia, massimizzare la densità di corrente). al contrario del silicio, tuttavia, la conduttività relativamente bassa dei substrati di tipo p odierni attuali (sezione 5.4.3) impone che tutte le strutture del dispositivo di potenza verticale siano implementate utilizzando substrati di tipo n per ottenere densità di corrente verticali vantaggiosamente elevate . molti dei compromessi di progettazione del dispositivo sono approssimativamente paralleli a noti compromessi tra dispositivi di potenza del silicio, tranne per il fatto che i numeri per densità di corrente, tensioni, densità di potenza e velocità di commutazione sono molto più alti in sic. Affinché i dispositivi di potenza funzionino con successo a tensioni elevate, è necessario evitare la rottura periferica dovuta all'affollamento del campo elettrico edgerelato attraverso un'attenta progettazione del dispositivo e una scelta appropriata dei materiali dielettrici isolanti / passivanti. la tensione di picco di molti prototipi di dispositivi ad alta tensione sic è stata spesso limitata da guasti distruttivi legati al bordo, specialmente in dispositivi sic capaci di bloccare più kilovolt. inoltre, la maggior parte dei test su molti prototipi di dispositivi multikilovolt sic ha richiesto che il dispositivo fosse immerso in fluidi specializzati di alta rigidità dielettrica o atmosfere gassose per ridurre al minimo gli archi elettrici dannosi e il flashover superficiale alle periferiche del dispositivo. una varietà di metodologie di terminazione del bordo, molte delle quali erano state originariamente introdotte nei dispositivi ad alto voltaggio in silicio, sono state applicate a dispositivi prototipo sic con vari gradi di successo, inclusi anelli di protezione di metallo e droganti su misura. le tensioni più elevate e i maggiori campi elettrici locali dei dispositivi elettrici di potenza porranno maggiori sollecitazioni sull'imballaggio e sui materiali isolanti per wafer, quindi alcuni dei materiali utilizzati per isolare / passivare dispositivi ad alta tensione in silicio potrebbero non rivelarsi sufficienti per un uso affidabil...
il raddrizzatore a diodi ad alta potenza è un elemento fondamentale dei circuiti di conversione di potenza. recenti revisioni dei risultati dei raddrizzatori sperimentali sic sono riportate nei riferimenti 3, 134, 172, 180 e 181. la maggior parte dei progetti di dispositivi di raddrizzatore di diodo sic i trade-off approssimativamente paralleli ben noti di raddrizzatori al silicio, eccetto per il fatto che le densità di corrente , tensioni, densità di potenza e velocità di commutazione sono molto più alte in sic. ad esempio, i raddrizzatori a diodo schottky a semiconduttore sono dispositivi di trasporto di maggioranza che notoriamente presentano una commutazione molto veloce a causa dell'assenza di accumulo di carica di portatore minoritario che domina (cioè rallenta, provocando negativamente potenza indesiderata e calore) l'operazione di commutazione di bipolare raddrizzatori a giunzione pn. tuttavia, il campo di ripartizione alto e l'ampia banda proibita di energia consentono il funzionamento di diodi schottky di metallo-semiconduttore a tensioni molto più elevate (superiori a 1 kv) di quanto non sia pratico con diodi schottky a base di silicio che sono limitati a operazioni inferiori a ~ 200 v a causa di inversioni molto più elevate. bias dispersione termoionica.
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