o alto campo de ruptura e alta condutividade térmica do sic acoplado com alta junção operacional temperaturas teoricamente permitem densidades de potência extremamente alta e eficiências a serem realizadas em sic dispositivos. o campo de alta quebra de sic em relação ao silício permite que a região de tensão de bloqueio de um dispositivo de potência seja aproximadamente 10 × mais fino e 10 × mais pesado dopado, permitindo aproximadamente 100 vezes diminuição benéfica na resistência da região de bloqueio com a mesma voltagem nominal. energia significativa perdas em muitos circuitos do sistema de alta potência de silício, particularmente acionamento do motor de comutação circuitos de conversão, surgem da perda de energia de comutação de semicondutores. enquanto a física de perda de comutação do dispositivo semicondutor são discutidos em detalhes em outro lugar, a perda de energia de comutação é muitas vezes uma função do tempo de desligamento do dispositivo de comutação de semicondutores, geralmente lapso de tempo entre a aplicação de um viés de desligamento e o momento em que o dispositivo realmente corta a maioria do fluxo atual. em geral, quanto mais rápido um dispositivo é desligado, menor é a perda de energia em um circuito de conversão de energia. por motivos de topologia de dispositivos discutidos nas referências 3,8 e 19-21, sic campo de alta avaria e largura de banda de energia ampla permitem comutação de energia muito mais rápida do que é possível em comparativamente dispositivos de comutação de energia de silício volt-amperes. o fato de que a operação de alta tensão é alcançado com regiões de bloqueio muito mais finas usando sic permite comutação muito mais rápida (para comparável tensão nominal) nas estruturas dos dispositivos de potência unipolar e bipolar. portanto, poder baseado em sic os conversores poderiam operar em freqüências de comutação mais altas com eficiência muito maior (ou seja, menos perda de energia). maior freqüência de chaveamento em conversores de potência é altamente desejável permite o uso de capacitores, indutores e transformadores menores, o que, por sua vez, pode reduzir tamanho, peso e custo do conversor de energia. ao mesmo tempo em que a menor resistência e a comutação mais rápida da sic ajudam a minimizar a perda de energia e a geração de calor, A maior condutividade térmica da sic permite uma remoção mais eficiente da energia de calor residual dispositivo. porque a eficiência da radiação de energia térmica aumenta muito com o aumento da diferença de temperatura entre o dispositivo e o ambiente de resfriamento, a capacidade da sic de operar em altas temperaturas de junção permite um resfriamento muito mais eficiente, para que os dissipadores de calor e outros dispositivos de resfriamento de dispositivos (ou seja, refrigeração, refrigeração líquida, ar condicionado, radiadores de calor, etc.) normalmente necessários para manter dispositivos de alta potência de superaquecimento pode ser feito muito menor ou me...
operação não refrigerada de alta temperatura e alta potência sic eletrônica permitiria revolucionária melhorias nos sistemas aeroespaciais. substituição de controles hidráulicos e unidades de potência auxiliares Os controles eletromecânicos “inteligentes” distribuídos, capazes de operar em ambientes adversos, economia de peso em aeronaves a jato, manutenção reduzida, redução da poluição, maior eficiência de combustível e aumento confiabilidade operacional. interruptores de estado sólido de alta potência também permitirão grandes ganhos gerenciamento e controle de energia elétrica. ganhos de desempenho da eletrônica sic poderia permitir a rede pública de energia para fornecer maior demanda de eletricidade ao consumidor sem construir instalações de geração e melhorar a qualidade da energia e a confiabilidade operacional por meio do gerenciamento de energia “inteligente”. acionamentos de motores elétricos mais eficientes, possibilitados pela sic, também beneficiarão a produção industrial sistemas de transporte, tais como locomotivas diesel-elétricas, transporte de massa elétrica sistemas, navios movidos a energia nuclear e automóveis e ônibus elétricos. das discussões acima, deve ser aparente que o estado sólido sic de alta potência e alta temperatura eletrônica promete vantagens tremendas que poderiam impactar significativamente os sistemas de transporte e uso de energia em escala global. melhorando a forma como a electricidade é distribuída e utilizada, melhorar os veículos elétricos para que eles se tornem substitutos mais viáveis para o motor de combustão interna veículos, e melhorar a eficiência do combustível e reduzir a poluição dos restantes motores de queima de combustível e plantas de geração, sic electronics promete o potencial para melhorar a vida diária de todos os cidadãos de planeta Terra.
no momento em que escrevo, grande parte da promessa teórica de destaque da sic electronics destacada no seção anterior foi largamente irrealizada. um breve exame histórico mostra rapidamente que deficiências na fabricação de material semicondutor sic e qualidade têm dificultado muito o desenvolvimento de eletrônicos semicondutores sic. de um ponto de vista simplista, sic electronics desenvolvimento tem seguido muito a regra geral de que um dispositivo eletrônico de estado sólido só será tão bom quanto o material semicondutor do qual é feito.
wafers reproduzíveis de razoável consistência, tamanho, qualidade e disponibilidade são pré-requisitos para produção comercial em massa de eletrônicos semicondutores. muitos materiais semicondutores podem ser derretidos e reprodutivelmente recristalizado em grandes cristais individuais com a ajuda de um cristal de semente, como no método czochralski empregado na fabricação de quase todas as bolachas de silício, permitindo razoavelmente grande bolachas para ser produzido em massa. no entanto, porque sic sublimes em vez de derreter a razoavelmente atingível pressões, sic não pode ser cultivada por técnicas convencionais de crescimento por fusão. antes de 1980, experimental dispositivos eletrônicos sic foram confinados a pequenas (tipicamente ~ 1), plaquetas de cristal sic de forma irregular cultivado como um subproduto do processo de acheson para a fabricação de abrasivos industriais (por exemplo, lixa) ou pelo processo lely. no processo lely, sic sublimado de pó sic policristalino em temperaturas próximas a 2.500 ° C são aleatoriamente condensadas nas paredes de uma cavidade formando pequenos, hexagonalmente plaquetas moldadas. enquanto esses pequenos cristais não reprodutíveis permitiam alguns eletrônicos básicos. pesquisa, eles claramente não eram adequados para a produção em massa de semicondutores. como tal, o silício tornou-se o semicondutor dominante alimentando a revolução da tecnologia de estado sólido, enquanto o interesse em microeletrônica sic-based foi limitado.
apesar da ausência de substratos sic, os potenciais benefícios da eletrônica sísmica hostil-ambiental, apesar de tudo, levaram a esforços modestos de pesquisa para obter sic em uma forma de wafer fabricável. Os siliconesubstratos foram realizados pela primeira vez em 1983 e, posteriormente, seguidos por muitos outros ao longo dos anos, utilizando uma variedade de técnicas de crescimento. principalmente devido a grandes diferenças na constante de treliça (~ 20% de diferença entre sic e si) e coeficiente de expansão térmica (~ 8% de diferença), heteroepitaxy de sic usando o silício como substrato sempre resulta em crescimento de 3c-sic com uma densidade muito alta de defeitos estruturais cristalográficos, como falhas de empilhamento, microtwins e limites de domínio de inversão. outros materiais de wafer largrearea além de silício (como safira, silício-sobre-isolante e tic) têm sido empregados como substratos para crescimento heteroepitaxial de epilayers sic, mas os filmes resultantes têm sido de qualidade comparativamente pobre com altas densidades de defeitos cristalográficos. A abordagem 3c-sic-sobre-silício mais promissora até hoje que alcançou a menor densidade de defeitos cristalográficos envolve o uso de substratos de silício ondulantes. no entanto, mesmo com essa abordagem altamente inovadora, as densidades de deslocamento permanecem muito altas em comparação com as pastilhas sic sextavadas de silício e a granel. enquanto alguns dispositivos eletrônicos e circuitos semicondutores limitados foram implementados em 3c-sic cultivados em silício, o desempenho desses componentes eletrônicos (até o momento desta redação) pode ser resumido como severamente limitado pela alta densidade de defeitos cristalográficos a ponto de quase nenhum deles os benefícios operacionais discutidos na seção 5.3 foram viabilizados. entre outros problemas, os defeitos do cristal “vazam” a corrente parasita através de junções de dispositivos com polarização reversa onde o fluxo de corrente não é desejado. porque defeitos excessivos de cristal levam a falhas no dispositivo elétrico, ainda não há eletrônica comercial fabricada em 3c-sic cultivada em substratos de grande área. assim, o 3c-sic crescido em silício atualmente tem mais potencial como material mecânico em aplicações de sistemas microeletromecânicos (mems) (seção 5.6.5) ao invés de ser usado puramente como um semicondutor na eletrônica tradicional de transistor em estado sólido.
no final da década de 1970, tairov e tzvetkov estabeleceram os princípios básicos de um processo modificado de crescimento por sublimação modificado para o crescimento de 6h-sic. Esse processo, também chamado de processo lely modificado, foi um grande avanço para a sic, pois oferecia a primeira possibilidade de crescimento reprodutível de cristais únicos de sic que podiam ser cortados e polidos em sic-wafers produzidos em massa. o processo de crescimento básico é baseado no aquecimento de material fonte sicristalina policristalino a ~ 2400 ° c sob condições, onde sublima na fase de vapor e subsequentemente se condensa em um cristal sêmen mais frio. isto produz um boule um tanto cilíndrico de cristal único que cresce mais alto a uma taxa de alguns milímetros por hora. atdata, a orientao preferida do crescimento no processo de sublimao tal que o crescimento vertical de um boule cilndrico mais alto prossiga ao longo do \u0026 lt; 0 0 0 1 \u0026 gt; direco cristalogrica do eixo C (isto direco vertical na figura 5.1). bolachas circulares de \"eixo c\" com superfícies que se encontram normais (isto é, perpendicularmente a 10 °) ao eixo c podem ser serradas a partir do boule aproximadamente cilíndrico. depois de anos de desenvolvimento adicional do processo de crescimento de sublimação, cree, inc., tornou-se a primeira empresa a vender placas de semicondutor de 2,5 cm de diâmetro de 6h-sic em 1989. correspondentemente, a grande maioria do desenvolvimento de eletrônicos semicondutores sic A comercialização tem ocorrido desde 1990, utilizando-se wafers sic orientados ao eixo c dos polipospes 6h e 4h-sic. As bolachas sic de tipo n, tipo-p e semi-insatora de vários tamanhos (presentemente tão grandes quanto 7,6 cm de diâmetro) estão agora comercialmente disponíveis a partir de uma variedade de fornecedores. Vale a pena notar que as condutividades de substrato atingíveis para as bolachas sicônicas tipo-p são mais de 10x menores que para substratos tipo-n, o que é em grande parte devido à diferença entre as energias de ionização dopante doadora e receptora em sic (tabela 5.1). mais recentemente, sic wafers cultivados com fontes de gás em vez de sublimação de fontes sólidas ou uma combinação de fontes de gás e sólidos também foram comercializados. O crescimento de sicholas e bolachas orientadas ao longo de outras direções cristalográficas, tais como e orientações “a-face”, também foram investigadas na última década. enquanto essas outras orientações sic oferecem algumas diferenças interessantes nas propriedades do dispositivo em comparação com as wafers convencionais orientadas para o eixo c (mencionadas resumidamente na seção 5.5.5), todas as peças eletrônicas comerciais produzidas (como desta escrita) são fabricadas usando o eixo c Bolachas orientadas. O tamanho, custo e qualidade da bolacha são todos muito críticos para a manufaturabilidade e o rendimento do processo da microeletrônica semicondutora produzida em massa. em comparação com os padrões comuns de...
a maioria dos dispositivos eletrônicos sic não são fabricados diretamente em wafers cultivados por sublimação, mas são fabricados em camadas epitaxiais de maior qualidade que são cultivadas em cima da pastilha inicial de sublimação. Os epilayers sic bem desenvolvidos têm propriedades elétricas superiores e são mais controláveis e reprodutíveis do que o material de bolacha sic de granulação em sublimação. portanto, o crescimento controlado de epilayers de alta qualidade é altamente importante na realização de eletrônicos sic úteis.
a maioria dos dispositivos eletrônicos sic não são fabricados diretamente em wafers cultivados por sublimação, mas são fabricados em camadas epitaxiais de maior qualidade que são cultivadas em cima da pastilha inicial de sublimação. Os epilayers sic bem desenvolvidos têm propriedades elétricas superiores e são mais controláveis e reprodutíveis do que o material de bolacha sic de granulação em sublimação. portanto, o crescimento controlado de epilayers de alta qualidade é altamente importante na realização de eletrônicos sic úteis.
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