Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
FotowoltaikaFotowoltaika
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Krzem i węglik krzemu - porównanie parametrów i aplikacji obu materiałów

ghost666 03 Sty 2020 19:43 702 0
  • Krzem i węglik krzemu - porównanie parametrów i aplikacji obu materiałów
    Krzem stał się pierwszym wyborem pośród materiałów półprzewodnikowych. Obecnie ten materiał służy jako podłoże z wyboru dla większości urządzeń półprzewodnikowych. Jednak wyróżniające się właściwości węglika krzemu (SiC) sprawiły, że jest to także istotny konkurent krzemu w wielu branżach. Sprawdźmy jakie są podstawowe różnice między znanym na całym świecie krzemem a węglikiem krzemu - wschodzącą gwiazdą wielu sektorów elektroniki.

    Z czego wykonane są krzem i węglik krzemu?

    Po zsyntetyzowaniu w najczystszej postaci krzem tworzy strukturę krystaliczną, w której pojedynczy atom krzemu tworzy wiązanie z czterema innymi sąsiadującymi atomami krzemu. Takie podłoże krzemowe może być następnie domieszkowane różnymi innymi pierwiastkami w celu utworzenia odpowiedniego materiału półprzewodnikowego do produkcji urządzeń elektronicznych.

    Z drugiej strony węglik krzemu jest mieszanką atomów krzemu i węgla, która tworzy różnorodne struktury krystaliczne. Najczęściej stosowanymi strukturami do zastosowania w półprzewodnikach są węglik krzemu 3C, 4C i 6H, z których wszystkie mają różne właściwości elektryczne i inne zalety w przypadku domieszkowania różnymi pierwiastkami. Płytki krzemowe mają do 8-12 cali średnicy i tworzą się je ze stopionego czystego krzemu np. w procesie Czochralskiego. Jednak węglik krzemu zazwyczaj syntetyzuje się z fazy gazowej, a nie krystalizuje z fazy ciekłej. Podłoża SiC, jakie wytwarza się tą metodą, mogą mieć do 6 cali średnicy.

    Najbardziej znaczącą różnicą między tymi dwiema strukturami podłoża jest różnica w strukturze samego materiału. Tak jak w przypadku wszystkich materiałów, pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa mają ustalone poziomy energii. Różnica w energii między krawędziami tych pasm nazywana jest pasmem wzbronionym - przerwą energetyczną. Pasmo wzbronione krzemu równe jest od 1 do 1,5 eV, a pasmo wzbronione węglika krzemu może wynosić od 2,3 do 3,3 eV. Chociaż większa przerwa energetyczna utrudnia przemieszczanie się elektronów w węgliku krzemu do pasma przewodnictwa, to pozwala również na wytrzymanie przez ten materiał prawie dziesięciokrotnie większego pola elektrycznego niż krzem.

    Właściwości krzemu i węglika krzemu: moc i prędkość

    Biorąc pod uwagę jego zdolność do wytrzymywania wyższych pól elektrycznych, podłoża z węglika krzemu mogą wytrzymać wyższe napięcia pracy przed przebiciem. Krzem ma napięcie przebicia na poziomie około 600 V, a węglik krzemu może wytrzymać napięcia 5-10 razy wyższe. W praktyce oznacza to, że aplikacje dużej mocy będą mogły korzystać z technologii półprzewodnikowej lub że urządzenie o tej samej różnicy napięcia może być prawie dziesięć razy mniejsze.

    Mniejsze urządzenia, które utrzymują tę samą różnicę potencjałów, dają przy okazji dwie istotne i nie do końca oczywiste zalety:

    * Zwiększenie prędkości (częstotliwości) przełączania,
    * Zmniejszenie oporu klucza.

    Elementy z węglika krzemu można przełączać prawie dziesięciokrotnie szybciej niż krzemowe, co skutkuje mniejszymi obwodami sterującymi. Ponadto zmniejszenie rezystancji powoduje mniejsze straty energii podczas pracy urządzenia, dzięki czemu węglik krzemu jest prawie dziesięć razy bardziej sprawny energetycznie przy wyższych napięciach niż krzem.

    W praktyce węglik krzemu jest znacznie lepszy w zastosowaniach związanych z wysokim napięciem ze względu na jego parametry pracy, zwartość urządzeń i wydajność układu. Obecnie jedynym minusem stosowania węglika krzemu jest jego wyższy koszt w porównaniu z krzemowym ekwiwalentem. Obecne metody komercyjnego wytwarzania węglika krzemu są ograniczone do wielkości płytek na poziomie około sześciu cali, co jest znacznie mniejsze niż typowe podłoża krzemowe. Zmniejszenie wielkości płytki powoduje zwiększenie kosztów produkcji chipów, a zatem wyższe nakłady inwestycyjne na konstrukcje z węglika krzemu.

    Zastosowania krzemu i węglika krzemu w realnym świecie

    Jednym z świetnych przykładów zastosowania węglika krzemu zamiast krzemu, jest przemysł pojazdów elektrycznych. Podczas jazdy pojazdu elektrycznego układ elektroniczny musi obsługiwać pełne obciążenie mocą pojazdu, co można osiągnąć zarówno w konstrukcjach opartych na krzemie, jak i na węgliku krzemu.

    Krzemowe tranzystory IGBT są powszechnie stosowane w przetwornicach w sektorze elektromobilności, gdzie napędzają silniki zasilane bateryjnie. Jednak biorąc pod uwagę normalny cykl jazdy samochodu (tj. zazwyczaj nie przy pełnym obciążeniu), wysoka rezystancja krzemu czyni go raczej mało wydajnym. Ponieważ węglik krzemu może sprostać tym samym wymaganiom projektowym (jeśli chodzi o prąd i częstotliwość kluczowania) przy znacznie mniejszych rozmiarach, węglik krzemu oferuje urządzenia o znacznie wyższej sprawności i może zwiększyć sprawność całego układu falownika o prawie 80%.

    Największą siłą węglika krzemu jest wzrost sprawności urządzeń, gdzie się go stosuje. Oprócz niemal natychmiastowego i prostego stosowania w branżach pracujących z dużą energią, takich jak pojazdy elektryczne i fotowoltaika, węglik krzemu obiecuje drastyczne zwiększenie sprawności w różnych branżach. Przekłada się to na zmniejszenie śladu węglowego wielu sektorów na całym świecie.

    Źródło: https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/silicon-vs-silicon-carbide-properties-and-applications-in-electronics?utm_source=elektroda

    Fajne! Ranking DIY
    Byłeś na tym wydarzeniu? Jak się podobało? Odpowiedz w tym temacie, publikując relacje, zdjęcia, materiały. Napisz do nas, a otrzymasz punkty za relację.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9501 postów o ocenie 7547, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • FotowoltaikaFotowoltaika