o retificador de diodo de alta potência é um bloco de construção crítico de circuitos de conversão de energia. revisões recentes de resultados experimentais do retificador sic são dadas nas referências 3, 134, 172, 180 e 181. O mais importante trade-offs do projeto do dispositivo retificador de diodo sic paralelamente são conhecidos os trade-offs do retificador de silício, exceto pelo fato de que as densidades de corrente , tensões, densidades de potência e velocidades de comutação são muito maiores em sic. por exemplo, os retificadores de diodos schottky semicondutores são dispositivos portadores majoritários que são bem conhecidos por exibirem comutação muito rápida devido à ausência de armazenamento de carga de portadora minoritária que domina (isto é, retarda, resultando adversamente em potência e calor desperdiçados indesejados) a operação de chaveamento bipolar retificadores de junção pn. no entanto, o campo de alta quebra e banda larga de energia permitem a operação de diodos schottky sic metal-semicondutor em tensões muito mais altas (acima de 1 kv) do que é prático com diodos schottky baseados em silício que são limitados a operação abaixo de 200 v vazamento termiônico.
Diodos schottky de potência 4h-sic (com tensões de bloqueio nominais de até 1200 v e correntes nominais até 20 até o momento desta publicação) estão agora disponíveis comercialmente. a estrutura básica desses diodos unipolares é um contato de ânodo schottky de metal padronizado que reside no topo de uma camada homoepitaxial levemente n-dopada relativamente fina (crescida na ordem de 10 μm de espessura) crescida em uma camada muito mais espessa (em torno de 200–300 μm) substrato tipo 4h-sic de baixa resistividade (8 ° fora do eixo, conforme discutido na seção 5.4.4.2) com metalização do contato catódico na parte traseira. estruturas de anéis de guarda (geralmente implantes do tipo p) são geralmente empregadas para minimizar os efeitos de aglomeração de campo elétrico ao redor das bordas do contato do ânodo. a passivação e o empacotamento da matriz ajudam a evitar a formação de arco / descarga de superfície prejudicial à operação confiável do dispositivo. a principal aplicação desses dispositivos até hoje foram fontes de alimentação de modo comutado, onde (mais consistente com a discussão na seção 5.3.2) a comutação mais rápida do retificador schottky sic com menor perda de potência possibilitou operação e encolhimento de alta freqüência de capacitores, indutores e o tamanho e o peso totais da fonte de alimentação. em particular, a ausência efetiva de armazenamento de portadores minoritários permite que os dispositivos schottky sip unipolares desliguem muito mais rápido que os retificadores de silício (que devem ser diodos de junção pn acima de ~ 200v) que devem dissipar a energia de carga transportadora minoritária injetada quando desligada . Embora o custo parcial dos retificadores de sic tenha sido maior que o dos retificadores de silício concorrentes, um custo geral mais baixo do sistema de fornecimento de energia, com benefícios de desempenho úteis, é alcançado. Deve-se notar, no entanto, que as mudanças no projeto do circuito são às vezes necessárias para melhor realçar as capacidades do circuito com confiabilidade aceitável ao substituir o silício por componentes sic. conforme discutido na seção 5.4.5, a qualidade do material sic atualmente limita as classificações de corrente e tensão dos diodos schottky sic. sob alta polarização direta, a condução da corrente do diodo schottky é principalmente limitada pela resistência em série da camada de bloqueio levemente dopada. o fato de que esta resistência em série aumenta com a temperatura (devido à diminuição da mobilidade da transportadora epilayer) impulsiona a equilibração de altas correntes de avanço através de cada diodo quando múltiplos diodos schottky são paralelos para lidar com altas taxas de corrente no estado.
para aplica�es de voltagem mais elevada, a injec�o de carga de ve�ulo minorit�io bipolar (isto � modula�o de condutividade) deve permitir que os di�s pn sic suportem densidades de corrente mais elevadas do que os diodos schottky unipolares cujas regi�s de deriva conduzem apenas utilizando ve�ulos de maioria dopante-�omo. De acordo com a experiência do retificador de silício, o vazamento reverso relacionado à geração da junção pn sic é geralmente menor do que o vazamento reverso do diodo schottky termionicassisted. Assim como os dispositivos bipolares de silício, o controle reprodutível da vida útil da portadora minoritária será essencial para otimizar as compensações de velocidade de comutação versus desempenho de densidade de corrente no estado de dispositivos sic bipolares para aplicações específicas. A redução da vida útil da portadora via incorporação de impurezas intencionais e introdução de defeitos induzidos pela radiação parece viável. Contudo, a capacidade de obter tempos de vida de operadora minoritários consistentemente longos (acima de um microssegundo) se mostrou um tanto ilusória até o momento, indicando que melhorias adicionais nos processos de crescimento de material sic são necessárias para possibilitar o pleno potencial dos retificadores de energia bipolares. Até o momento, os retificadores de potência sip bipolares ainda não estão comercialmente disponíveis. baixa confiabilidade elétrica causada por expansão eletricamente acionada de falhas de empilhamento de camada epitaxial 4h-sic iniciadas a partir de defeitos de deslocamento de plano basal (Tabela 5.2) preveniu efetivamente esforços combinados para a comercialização de diodos de junção pn 4h-sic no final dos anos 90. em particular, a recombinação bipolar elétron-buraco que ocorre nas junções pn orientadas para frente impulsionou o aumento do distúrbio de empilhamento na camada bloqueadora de 4h-sic, formando um poço quântico de ampliação (baseado no bandgap 3c-sic mais estreito) que efetivamente degrada o transporte (difusão ) de portadores minoritários através da camada de bloqueio de junção levemente dopada. como resultado, as voltagens para a frente dos retificadores de 4h-sic pn necessários para manter o aumento da corrente nominal no estado imprevisível e indesejavelmente ao longo do tempo. Conforme discutido na seção 5.4.5, a pesquisa para compreender e superar esse problema induzido por defeitos de material fez importantes progressos, de modo que, esperançosamente, os dispositivos bipolares de energia possam ser comercializados dentro de alguns anos. Uma desvantagem da banda larga de sic é que ela requer tensões de polarização de polarização maiores para alcançar o “joelho” de um diodo em que uma corrente significativa no estado começa a fluir. por sua vez, a maior tensão do joelho pode levar a um aumento indesejável da dissipação de energia no estado. no entanto, os benefícios de 100 × diminuíram a resistência da região de deriva e a comutação di...
trs interruptores terminais de energia que utilizam pequenos sinais de accionamento para controlar grandes voltagens e correntes (i.e., transistores de potncia) so tambm blocos de construo crticos de circuitos de convers de alta potncia. no entanto, até o momento desta publicação, os transistores de chaveamento de alta potência sic ainda não estão comercialmente disponíveis para uso benéfico em circuitos de sistema de potência. bem resumido nas referências 134, 135, 172, 180 e 186-188, uma variedade de interruptores de alimentação sic de três terminais foram prototipados nos últimos anos. A atual falta de transistores comerciais de comutação de energia sic é em grande parte devido a várias dificuldades tecnológicas discutidas em outras partes deste capítulo. por exemplo, todos os transistores de semicondutores de alta potência contêm junções de alto campo responsáveis por bloquear o fluxo de corrente no estado desenergizado. portanto, limitações de desempenho impostas por defeitos de cristal sic em retificadores de diodo (seções 5.4.5 e 5.6.4.1) também se aplicam a transistores de alta potência sic. também, o desempenho e a confiabilidade dos canais de inversão baseados em sicões (isto é, mosfetos, igbts, etc.) foram limitados por fracas mobilidades de canal de inversão e questionável confiabilidade de isoladores de porta discutida na seção 5.5.5. Para evitar esses problemas, estruturas de dispositivos sic que não dependem de isoladores de porta de alta qualidade, como mesfet, jfet, bjt e mosfet de canal de depleção, foram prototipadas para uso como transistores de chaveamento de energia. no entanto, essas outras topologias de dispositivos impõem requisitos não-padrão no projeto de circuitos do sistema de potência que os tornam pouco atraentes em comparação com os mosfets e igbts de canal de inversão baseados em silício. em particular, os mosfets e igbts de energia de silício são extremamente populares em circuitos de energia porque seus drives estão bem isolados do canal de energia condutora, requerem pouca potência de sinal de acionamento e os dispositivos estão “normalmente desligados”, pois não há fluxo de corrente quando o portão é imparcial em 0 v. o fato de que o outro As topologias de dispositivos carecem de um ou mais desses aspectos altamente amigáveis ao circuito e contribuíram para a incapacidade dos dispositivos sic substituírem beneficamente os mosfets e igbts baseados em silício em aplicações de sistemas de energia. Como discutido na seção 5.5.5, melhorias continuadas e substanciais na tecnologia mosfet 4hs esperançosamente levarão em breve à comercialização de moshets 4h-sic. Enquanto isso, a alternância de alta voltagem vantajosa ao emparelhar um sic jfet de alta voltagem com mosfet de potência de silício de voltagem mais baixa em um pacote de módulo único parece estar se aproximando da comercialização prática. foram criados protótipos de numerosos desenhos para canais de dopagem sic (com canais laterais e verticais), incluin...
Conforme descrito no capítulo de hesketh sobre micro-usinagem neste livro, o desenvolvimento e uso de mems baseados em silício continua a se expandir. enquanto as seções anteriores deste capítulo se concentraram no uso de sic para dispositivos eletrônicos semicondutores tradicionais, também se espera que sic desempenhe um papel significativo em aplicações emergentes de mems. sic tem excelentes propriedades mecânicas que solucionam algumas deficiências de mems baseadas em silício, tais como extrema dureza e baixo atrito, reduzindo o desgaste mecânico, bem como excelente inércia química a atmosferas corrosivas. por exemplo, a durabilidade excelente dos sics está sendo examinada como permitindo a operação de longa duração de micromotores elétricos e fontes de geração de energia de micro-motores a jato onde as propriedades mecânicas do silício parecem ser insuficientes. infelizmente, as mesmas propriedades que tornam o sic mais durável que o silício também tornam a sic mais difícil para o micromachine. abordagens para a fabricação de estruturas de mems em ambiente severo em sic e prototype sic-mems obtidos até hoje são revisados nas referências 124 e 190. a incapacidade de realizar gravação com padrões finos de monocristalino 4h- e 6h-sic com produtos químicos úmidos (seção 5.5.4) torna a micro-usinagem deste tipo de sic mais difícil. portanto, a maioria das micro-usinagens sic até o momento foi implementada em sic heteroepitaxial 3c-sic e policristalino eletricamente inferior depositado em wafers de silício. Variações de micro-usinagem a granel, micro-usinagem de superfícies e técnicas de micromoldagem têm sido usadas para fabricar uma ampla variedade de estruturas micromecânicas, incluindo ressonadores e micromotores. um serviço padronizado de fundição de processo de fabricação micromecânica com sic sicon on wafer de silício, que permite que os usuários realizem seus próprios dispositivos micromachinados sic específicos de aplicativos enquanto compartilham espaço e custo de wafer com outros usuários, está comercialmente disponível. para aplicações que requerem eletrônica sic de alta temperatura e baixo vazamento não é possível com camadas sic depositadas em silício (incluindo transistores de alta temperatura, como discutido na seção 5.6.2), conceitos para integrar eletrônicos muito mais capazes com mems em wafers sic de 4h / 6h com epilayers também foram propostos. por exemplo, sensores de pressão sendo desenvolvidos para uso em regiões de alta temperatura de motores a jato são implementados em 6h-sic, em grande parte devido ao fato de que o vazamento de junção baixa é necessário para alcançar a operação correta do sensor. Eletrônica de transistor integrado 4h / 6h on-chip que habilita habilmente o condicionamento de sinal no local de detecção de alta temperatura também estão sendo desenvolvidos. Com todos os sensores baseados em micromecânica, é vital empacotar o sensor de uma maneira que minimize a imposição de tensões induzidas termomecânicas ...
pode-se prever com segurança que a sic nunca substituirá o silício como o semicondutor dominante usado na fabricação da grande maioria dos chips eletrônicos do mundo, principalmente chips analógicos e digitais de baixa voltagem destinados à operação em ambientes humanos normais (computadores, celulares , etc.). O sic será usado somente quando benefícios substanciais forem possibilitados pela capacidade da sic de expandir o envelope de condições operacionais de alta e alta temperatura, como as aplicações descritas na seção 5.3. talvez, a única área de aplicação existente em que o sic possa substituir substancialmente o uso atual de silício seja a área de dispositivos de energia discretos usados em circuitos de conversão de energia, controle de motores e gerenciamento. o mercado de dispositivos de energia, juntamente com o mercado de sensor automotivo, apresentam a oportunidade de mercado de maior volume para componentes semicondutores baseados em sic. no entanto, os consumidores finais em ambas as aplicações exigem uma confiabilidade excruciante (isto é, sem falhas operacionais) combinada com um custo global competitivo baixo. Para que a tecnologia da sic electronics tenha grande impacto, ela deve evoluir muito de seu status atual para atender a essas demandas. existe claramente uma discrepância muito grande entre a promessa teórica revolucionária de tecnologia eletrônica de semicondutores sic (seção 5.3) versus a capacidade operacional de componentes baseados em sic que foram realmente implementados em apenas algumas aplicações comerciais e militares (seção 5.6). Da mesma forma, existe uma grande discrepância entre as capacidades dos dispositivos de laboratório em comparação com os dispositivos sic implementados comercialmente. A incapacidade de muitos protótipos de laboratórios “bem-sucedidos” para a rápida transição para produtos comerciais demonstra tanto a dificuldade quanto a criticidade de alcançar confiabilidade e custos aceitáveis.
as seções anteriores deste capítulo já destacaram os principais obstáculos e immaturidades técnicas conhecidas que são amplamente responsáveis pela capacidade do dispositivo sic prejudicado. nos termos mais gerais, esses obstáculos se resumem a um punhado de questões materiais fundamentais. A taxa na qual a mais crítica dessas questões fundamentais é resolvida terá grande impacto na disponibilidade, capacidade e utilidade da eletrônica de semicondutores sic. portanto, o futuro da sic electronics está ligado ao investimento em pesquisa de material básico para a solução de impedimentos relacionados a materiais desafiadores para o desempenho, rendimento e confiabilidade do dispositivo sic. o desafio material que é indiscutivelmente a maior chave para o futuro do sic é a remoção de deslocamentos de sic wafers. Conforme descrito anteriormente neste capítulo e as referências nele contidas, as métricas de desempenho mais importantes do retificador de potência sic, incluindo classificações de dispositivos, confiabilidade e custo, são inevitavelmente impactadas por altas densidades de deslocamento presentes em wafers e epilayers sic comerciais. se a qualidade sic produzida em massa se aproximou da das wafers de silício (que normalmente contêm menos de um defeito de deslocamento por centímetro quadrado), muito mais capazes de retificadores de alta potência bipolares e unipolares (incluindo dispositivos com quilovolts e quiloamperes) se tornariam rapidamente disponível para uso benéfico em uma variedade muito maior de aplicações de alta potência. melhorias semelhantes também seriam percebidas em transistores sic, abrindo o caminho para dispositivos sic de alta potência para deslocar beneficamente dispositivos de energia baseados em silício em uma variedade tremendamente ampla e útil de aplicações e sistemas (seção 5.3). Esse avanço permitiria uma “revolução” de sistemas eletrônicos de potência muito mais rápida e ampla, em comparação com a “evolução” relativamente mais lenta e a inserção de nicho de mercado ocorrida desde a primeira vez em que as bolachas foram comercializadas há 15 anos. Conforme mencionado na seção 5.4, resultados laboratoriais recentes indicam que é possível reduzir drasticamente as deslocações de pastilhas sic usando abordagens radicalmente novas para o crescimento da pastilha sic em comparação com as técnicas padrão de crescimento de boule praticadas por todos os fornecedores comerciais de pastilhas por mais de uma década. sem dúvida, o futuro dos dispositivos de alta potência pode depender do desenvolvimento e da comercialização prática de técnicas de crescimento de baixa densidade de deslocamento substancialmente diferentes daquelas empregadas atualmente. É importante observar que outros semicondutores emergentes de bandas largas, além da sic, teoricamente oferecem benefícios similares aos do sistema elétrico em relação à tecnologia de semicondutores de silício, conforme descrito na seção 5.3. por exemplo, o diamante e alguns semic...
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