5-6-4-1-1 raddrizzatori di potenza schottky sic.

Diodi schottky di potenza 4h-sic (con tensioni di blocco nominali fino a 1200 v e correnti nominali on-state fino a 20 a come da questa scrittura) sono ora disponibili in commercio. la struttura di base di questi diodi unipolari è un contatto a base di anodo schottico metallico residente su uno strato omoepitassiale leggermente sottile (approssimativamente dell'ordine di 10 μm di spessore) cresciuto su uno strato molto più spesso (circa 200-300 μm) substrato di tipo 4h-sic a bassa resistività di tipo n (8 ° fuori asse, come discusso nella sezione 5.4.4.2) con metallizzazione del contatto del catodo sul retro. le strutture ad anello di guardia (di solito gli impianti di tipo p) vengono solitamente impiegate per ridurre al minimo gli effetti di affollamento del campo elettrico attorno ai bordi del contatto dell'anodo. la passivazione e l'imballaggio aiutano a prevenire la formazione di archi / flashover superficiali dannosi per il funzionamento affidabile del dispositivo. l'applicazione primaria di questi dispositivi fino ad oggi è stata alimentatori a modalità switching, dove (coerentemente con la discussione nella sezione 5.3.2) la commutazione più veloce del raddrizzatore sic schottky con meno perdite di potenza ha permesso un funzionamento a frequenza più elevata e un restringimento di condensatori, induttori e la dimensione e il peso complessivi dell'alimentatore. in particolare, l'effettiva assenza di accumulo di carica del portatore minoritario consente ai dispositivi unipolari sic schottky di spegnersi molto più velocemente rispetto ai raddrizzatori al silicio (che devono essere diodi a giunzione pn sopra il blocco di ~ 200 v) che devono dissipare l'energia di carica del minorenne iniettato quando spento . anche se il costo parziale dei raddrizzatori sic è stato superiore a quello dei raddrizzatori di silicio concorrenti, un costo complessivo inferiore del sistema di alimentazione con prestazioni vantaggiose è comunque raggiunto. va notato, tuttavia, che i cambiamenti nella progettazione del circuito sono talvolta necessari per migliorare al meglio le capacità del circuito con affidabilità accettabile quando si sostituisce il silicio con componenti sic. come discusso nella sezione 5.4.5, la qualità del materiale attualmente limita le valutazioni di corrente e tensione dei diodi schottky sic. sotto la polarizzazione diretta elevata, la conduzione corrente del diodo schottky è principalmente limitata dalla resistenza in serie dello strato di bloccaggio leggermente drogato. il fatto che questa resistenza in serie aumenti con la temperatura (a causa della diminuzione della mobilità del portatore epilayer) guida l'equilibrio di elevate correnti in avanti attraverso ciascun diodo quando più diodi schottky sono paralleli per gestire correnti nominali di corrente più elevate.

5-6-4-1-2 raddrizzatori di potenza bipolari e ibridi

per applicazioni a più alta tensione, l'iniezione di carica di minoranza bipolare (cioè la modulazione di conduttività) dovrebbe consentire ai diodi sic pn di portare densità di corrente più elevate rispetto ai diodi schottky unipolari le cui regioni di deriva conducono esclusivamente con portatori di maggioranza dell'atomo drogante. coerentemente con l'esperienza del raddrizzatore al silicio, la perdita inversa correlata alla generazione di giunzione sic pn è di solito più piccola della perdita inversa di diodo schottky termoassistita. come con i dispositivi bipolari al silicio, il controllo riproducibile della vita del portatore minoritario sarà essenziale per ottimizzare i compromessi delle prestazioni della densità di corrente su stato rispetto ai dispositivi sic bipolari per applicazioni specifiche. la riduzione della durata del portatore tramite incorporazione intenzionale di impurità e introduzione di difetti indotti da radiazioni appare fattibile. però, la capacità di ottenere una vita di corrieri di minoranza costante (al di sopra di un microsecondo) si è dimostrata alquanto elusiva al momento della stesura, indicando che sono necessari ulteriori miglioramenti dei processi di crescita materiale per consentire il pieno potenziale dei raddrizzatori di potenza bipolari. al momento della stesura, i raddrizzatori di potenza bipolari sic non sono ancora disponibili in commercio. scarsa affidabilità elettrica causata dall'espansione elettricamente causata da guasti di impilamento dello strato epitassiale 4h-sic avviati da difetti di dislocazione del piano basale (tabella 5.2) hanno efficacemente impedito gli sforzi concertati per la commercializzazione dei diodi a 4 p-sic pn alla fine degli anni '90. in particolare, la ricombinazione bipolare di elettrone-lacuna che si verifica nelle giunzioni pn polarizzate in avanti causava l'allargamento del disordine di impilamento nello strato di blocco 4h-sic, formando un pozzo quantico ingrandente (basato su narrow band 3c-sic più stretto) che degrada efficacemente il trasporto (diffusione ) di portatori minoritari attraverso lo strato di blocco della giunzione leggermente drogato. di conseguenza, le tensioni avanti dei raddrizzatori 4h-sic pn necessarie per mantenere la corrente nominale on-state aumentano in modo imprevedibile e indesiderabile nel tempo. come discusso nella sezione 5.4.5, la ricerca per la comprensione e il superamento di questo problema materiale indotto dai difetti ha fatto importanti progressi, così che si spera che i dispositivi di alimentazione sic bipolare possano essere commercializzati entro pochi anni. un inconveniente della banda proibita di sic è che richiede tensioni di polarizzazione diretta maggiori per raggiungere il \"ginocchio\" di accensione di un diodo in cui inizia a scorrere una corrente di stato significativa. a sua volta, la tensione più alta del ginocchio può portare ad un aumento indesiderato della dissipazione di potenza on-state. tuttavia, i vantaggi del 100 ...

5-6-4-2 transistor di commutazione ad alta potenza

tre interruttori di alimentazione a terminale che utilizzano segnali di azionamento di piccole dimensioni per controllare tensioni e correnti di grandi dimensioni (vale a dire transistor di potenza) sono anche elementi costitutivi fondamentali di circuiti di conversione ad alta potenza. tuttavia, al momento della stesura di questo manuale, i transistor di commutazione ad alta potenza non sono ancora disponibili in commercio per un utilizzo vantaggioso nei circuiti del sistema di alimentazione. così come riassunti nei riferimenti 134, 135, 172, 180 e 186-188, negli ultimi anni sono stati prototipati vari switch di potenza sicure a tre terminali. l'attuale mancanza di transistor a commutazione di potenza commerciale è in gran parte dovuta a diverse difficoltà tecnologiche discusse altrove in questo capitolo. ad esempio, tutti i transistor a semiconduttore ad alta potenza contengono giunzioni ad alto campo responsabili del blocco del flusso di corrente nello stato off. pertanto, i limiti di prestazione imposti dai difetti di sic cristall sui diodi raddrizzatori (sezioni 5.4.5 e 5.6.4.1) si applicano anche ai transistor sic potenti. inoltre, le prestazioni e l'affidabilità dei gate di fieldeffect basati sul canale di inversion sic (per esempio mosfet, igbts, ecc.) sono state limitate da scarsa mobilità dei canali di inversione e discutibile affidabilità gate-isolatore discussa nella sezione 5.5.5. per evitare questi problemi, le strutture dei dispositivi sic che non si basano su isolatori di gate di alta qualità, come il mesfet, il jfet, il bjt e il mosfet del canale di esaurimento, sono stati prototipati per l'uso come transistor di commutazione di potenza. tuttavia, queste altre topologie di dispositivi impongono requisiti non standard sulla progettazione dei circuiti del sistema di alimentazione che li rendono poco interessanti rispetto ai mosfet e agli igbts del canale di inversione basati su silicio. in particolare, i mosfet e gli igbts del silicio sono estremamente popolari nei circuiti di alimentazione, in gran parte perché le loro unità mos gate sono ben isolate dal canale di conduzione, richiedono poca potenza del segnale di pilotaggio e i dispositivi sono \"normalmente spenti\" in quanto non c'è corrente quando il cancello è imparziale a 0 v. il fatto che l'altro le topologie dei dispositivi mancano di uno o più di questi aspetti altamente circuit-friendly hanno contribuito all'incapacità dei dispositivi sic-based di sostituire in modo benefico mosfet e igbts basati sul silicio nelle applicazioni del sistema di alimentazione. come discusso nella sezione 5.5.5, i continui sostanziali miglioramenti nella tecnologia dei mosfet 4h-sic si spera possano presto portare alla commercializzazione dei mosfet 4h-sic. nel frattempo, la vantaggiosa commutazione ad alta tensione associando un sic jfet ad alta tensione con un mosfet di potenza in silicio a bassa tensione in un unico pacchetto di moduli sembra avvicinarsi alla commercializzazione pratica. s...

5-6-5 sistemi microelettromeccanici (mems) e sensori

come descritto nel capitolo di hesketh sulla microlavorazione in questo libro, lo sviluppo e l'uso di memi basati su silicio continua ad espandersi. mentre le sezioni precedenti di questo capitolo si sono incentrate sull'uso di sic per i dispositivi elettronici tradizionali a semiconduttore, sic si prevede anche che giochi un ruolo significativo nelle applicazioni emergenti di mems. sic possiede eccellenti proprietà meccaniche che affrontano alcune carenze di mems a base di silicio quali estrema durezza e basso attrito riducendo l'usura meccanica e un'eccellente inerzia chimica ad atmosfere corrosive. ad esempio, è stata esaminata un'eccellente durata nel tempo, che consente di operare a lungo termine su micromotori elettrici e sorgenti di generazione di micro-jet-engine in cui le proprietà meccaniche del silicio sembrano essere insufficienti. sfortunatamente, le stesse proprietà che rendono sic più durevole del silicio rendono anche la sic più difficile da micromacchinare. approcci alla fabbricazione di strutture di mems ad ambiente ostile in sic e prototipi sic-mems i risultati ottenuti fino ad oggi sono rivisti nei riferimenti 124 e 190. l'incapacità di eseguire l'incisione a maglie fini di monocristalli 4h- e 6h sicure con prodotti chimici umidi (sezione 5.5.4) rende più difficile la microlavorazione di questo tipo di elettronica. pertanto, la maggior parte della micromachining sic oggi è stata implementata in eteroepitassia 3c-sic elettro-inferiore e policristallina sic depositata su wafer di silicio. le variazioni della microlavorazione di massa, della microlavorazione di superficie e delle tecniche di microstriscia sono state utilizzate per fabbricare un'ampia varietà di strutture micromeccaniche, inclusi risonatori e micromotori. un servizio di fonderia di processo di fabbricazione micromeccanica standardizzato su silicio wafer, che consente agli utenti di realizzare i propri dispositivi micromachined sic specifici dell'applicazione, condividendo allo stesso tempo lo spazio e il costo del wafer con altri utenti, è disponibile in commercio. per applicazioni che richiedono elettronica ad alta temperatura ea bassa dispersione non possibile con strati sic depositi su silicio (inclusi transistori ad alta temperatura, come discusso nella sezione 5.6.2), concetti per l'integrazione di elettronica molto più capace con mems su wafer 4h / 6h sic sono stati anche proposti epilayers. ad esempio, i sensori di pressione sviluppati per l'uso nelle regioni a temperatura più elevata dei motori a reazione sono implementati in 6 ore, in gran parte a causa del fatto che è richiesta una bassa perdita di giunzione per ottenere il corretto funzionamento del sensore. Sono inoltre in fase di sviluppo l'elettronica a transistor integrata su chip 4h / 6h che abilita vantaggiosamente il condizionamento del segnale nel sito di rilevamento ad alta temperatura. con tutti i sensori basati su micromeccanica, è vitale impacchettare il sensore in modo da ridurre al minimo ...

5-7 futuro di sic

si può tranquillamente prevedere che sic non sposterà mai il silicio come il semiconduttore dominante utilizzato per la produzione della stragrande maggioranza dei chip elettronici del mondo che sono principalmente chip digitali e analogici a bassa tensione destinati al funzionamento in ambienti umani normali (computer, telefoni cellulari , eccetera.). sic sarà usato solo dove i benefici sostanziali sono consentiti dalla capacità di sic di espandere l'involucro di condizioni operative ad alta potenza e ad alta temperatura come le applicazioni descritte nella sezione 5.3. forse, l'unica grande area di applicazione esistente in cui la sic potrebbe sostanzialmente spostare l'uso di oggi del silicio è l'area dei dispositivi di potenza discreti utilizzati nei circuiti di conversione di potenza, controllo motore e gestione. il mercato dei dispositivi di alimentazione, insieme al mercato del rilevamento automobilistico presentano le maggiori opportunità di mercato per i componenti a semiconduttore sic-based. tuttavia, i consumatori finali in entrambe queste applicazioni richiedono un'affidabilità estremamente elevata (vale a dire, nessun guasto operativo) combinato con un costo complessivo competitivo basso. Perché la tecnologia elettronica sic abbia un grande impatto, deve evolvere notevolmente dal suo stato attuale per soddisfare queste esigenze. esiste chiaramente una discrepanza molto ampia tra la rivoluzionaria e ampia promessa teorica della tecnologia elettronica dei semiconduttori sic (sezione 5.3) rispetto alla capacità operativa dei componenti basati sulla sic che sono stati effettivamente utilizzati solo in alcune applicazioni commerciali e militari (sezione 5.6). allo stesso modo, esiste una grande discrepanza tra le capacità dei dispositivi di laboratorio rispetto a quelle sic distribuite commercialmente. l'incapacità di molti prototipi di laboratorio \"di successo\" per passare rapidamente al prodotto commerciale dimostra sia la difficoltà che la criticità di ottenere affidabilità e costi accettabili.

5-7-1 futuro legato a questioni materiali

le sezioni precedenti di questo capitolo hanno già evidenziato i principali ostacoli tecnici noti e le immaturità che sono in gran parte responsabili della capacità dei dispositivi impediti. nei termini più generali, questi ostacoli si riducono a una manciata di questioni fondamentali sui materiali fondamentali. la velocità con cui viene risolto il problema più critico di questi problemi fondamentali inciderà enormemente sulla disponibilità, la capacità e l'utilità dell'elettronica dei semiconduttori sic. Pertanto, il futuro dell'elettronica sic è legato all'investimento nella ricerca sui materiali di base per risolvere gli ostacoli difficili legati al materiale alle prestazioni, alla resa e all'affidabilità dei dispositivi sic. la sfida materiale che è probabilmente la più grande chiave per il futuro di sic è la rimozione delle dislocazioni da sic wafer. come descritto in precedenza in questo capitolo e riferimenti in esso, le più importanti metriche relative alle prestazioni del raddrizzatore di potenza, comprese le valutazioni, l'affidabilità e il costo dei dispositivi sono inevitabilmente influenzate dalle alte densità di dislocazione presenti nei wafer e negli epilayer commerciali. se la qualità del wafer di massa prodotta si avvicina a quella dei wafer di silicio (che tipicamente contengono meno di un difetto di dislocazione per centimetro quadrato), i raddrizzatori unipolari e bipolari di grande potenza (compresi i dispositivi con kilovolt e kiloampere) diventerebbero rapidamente ampiamente disponibile per un utilizzo vantaggioso in una gamma molto più ampia di applicazioni ad alta potenza. miglioramenti simili sarebbero stati realizzati anche nei transistor sic, aprendo la strada a dispositivi sic hi-power per spostare effettivamente vantaggiosamente dispositivi di alimentazione basati su silicio in una gamma estremamente ampia e utile di applicazioni e sistemi (sezione 5.3). questo avanzamento sbloccherebbe una \"rivoluzione\" dei sistemi elettronici di potenza molto più rapida e ampia, siccome rispetto a un'evoluzione relativamente più lenta e all'inserimento nel mercato di nicchia che si è verificato da quando i wafer sic sono stati commercializzati per la prima volta circa 15 anni fa. come accennato nella sezione 5.4, i recenti risultati di laboratorio indicano che drastiche riduzioni nelle dislocazioni di wafer sono possibili utilizzando approcci radicalmente nuovi alla crescita dei wafer rispetto alle tecniche standard di crescita delle boule praticate da tutti i fornitori di wafer commerciali per oltre un decennio. probabilmente, il futuro ultimo dei dispositivi sic potenti può dipendere dallo sviluppo e dalla commercializzazione pratica di tecniche di crescita a bassa densità di dislocazione sostanzialmente diverse da quelle utilizzate oggi. è importante notare che altri semiconduttori emergenti a banda larga, oltre a offrire in teoria teoricamente grandi vantaggi del sistema elettrico rispetto alla tecnologia dei semiconduttori a...

5-7-2 ulteriore lettura consigliata