Halfgeleider met brede bandgap van circa 3,3 eV. Door het hoge doorslagveld wordt het gebruikt in vermogenscomponenten met hoge spanningsweerstand en lage verliezen.
Japanse benaming: SiC(炭化ケイ素)
“SiC (siliciumcarbide)” komt voor in 50 oefenvragen uit 11 onderwerpen, bijv. Vermogenshalfgeleiders, Verbindingshalfgeleiders, Epitaxiale groei.
Vakgebied: Vermogenshalfgeleiders
De bandgap van SiC van ongeveer 3,3 eV geeft het een kritische doorslagveldsterkte van bijna 3 MV/cm, grofweg tien keer die van silicium. Voor een gegeven spanningsklasse kan de driftlaag ongeveer een tiende zo dik zijn en ongeveer 100 keer zwaarder gedoteerd, zodat de weerstand ervan theoretisch met een factor van enkele honderden daalt. Baliga's figure of merit, εμEc³, vat dit samen, omdat de doorslagveldsterkte er in de derde macht in voorkomt. De brede bandgap houdt ook de intrinsieke ladingsdragerdichtheid bij hoge temperatuur laag, en SiC geleidt warmte ongeveer drie keer beter dan silicium, rond 400 W/(m·K).
De werkpaarden zijn SiC-MOSFET's en SiC-Schottky-diodes. Omdat ze unipolair zijn, hebben ze geen staartstroom zoals silicium-IGBT's en geen reverse-recoverystroom zoals silicium-pn-diodes, zodat de schakelverliezen sterk dalen; SiC-Schottky-diodes worden gemaakt voor 600–1700 V. Door de lagere verliezen kunnen ontwerpers de schakelfrequentie verhogen en spoelen, condensatoren en koeling verkleinen, en daarom verspreidde SiC zich in inverters voor elektrische voertuigen, vooral in 800 V-systemen. De prijs van die snelheid is een steile dv/dt, tientallen volts per nanoseconde, die kleine parasitaire inductanties omzet in spanningspieken en EMI, dus layout en gate-aansturing zijn belangrijk.
SiC-MOSFET's worden in aan-toestand meestal aangestuurd met ongeveer +15 tot +18 V en in uit-toestand vaak met een negatieve spanning van −3 tot −5 V. Hun drempelspanning is laag, rond 2–3 V, zodat de Miller-stroom door de dv/dt van de tegenoverliggende schakelaar ze anders onbedoeld zou kunnen inschakelen. Kleine chips met een lage warmtecapaciteit betekenen dat de kortsluitbestendigheid meestal slechts enkele microseconden bedraagt, tegenover ongeveer 10 µs bij silicium-IGBT's, dus de beveiliging moet sneller ingrijpen. Behuizingen met een Kelvin-source scheiden het retourpad van de gate-aansturing van het hoofdstroompad om problemen met common-source-inductantie te voorkomen.
SiC smelt niet bij normale druk, daarom worden boules gegroeid door sublimatie (physical vapour transport) bij 2000–2500 °C met slechts ongeveer 0,1–1 mm per uur, en het extreem harde kristal laat zich maar langzaam zagen en polijsten. Vermogenscomponenten gebruiken het polytype 4H-SiC op substraten die ongeveer 4° off-axis zijn gesneden voor step-flow-epitaxie bij 1500–1650 °C. Doteringsatomen diffunderen nauwelijks, zodat juncties worden gevormd met epitaxie en hete ionenimplantatie, gevolgd door annealing bij 1600–1800 °C. Betrouwbaarheidsaandachtspunten zijn de lage kanaalmobiliteit door koolstofgerelateerde defecten aan het oxide-grensvlak en bipolaire degradatie, waarbij basal-plane-dislocaties uitgroeien tot stapelfouten.
Antwoord: A. Omdat het kritieke doorslagveld ca. 10 keer zo hoog is als dat van Si
SiC heeft een grote bandkloof van ca. 3,3 eV en een kritiek doorslagveld dat ca. 10 keer dat van Si is (ca. 3 MV/cm). Bij dezelfde doorslagspanning kan de driftlaag ca. 1/10 zo dik zijn en de onzuiverheidsconcentratie ca. 100 keer zo hoog, zodat de weerstand van de driftlaag theoretisch honderden malen kleiner is. De warmtegeleiding is ook ca. 3 keer die van Si en het is bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het steeds vaker wordt toegepast in onder meer EV-omvormers. Wafers zijn daarentegen duurder dan Si en de overgang naar grotere diameters (8 inch) is nog gaande.
Antwoord: A. Halfgeleiders met brede bandkloof (wide bandgap)
Halfgeleiders met een bandkloof van ruwweg 3 eV of meer worden wide-bandgap-halfgeleiders genoemd, met SiC (ca. 3,3 eV) en GaN (ca. 3,4 eV) als voornaamste voorbeelden. Ze hebben een hoog kritiek doorslagveld en weinig intrinsieke ladingdragers, waardoor ze ook bij hoge temperatuur gemakkelijk werken, en worden gebruikt voor vermogenscomponenten met hoge doorslagspanning en laag verlies en voor hoogfrequente componenten. Nog bredere materialen zoals Ga2O3 (ca. 4,8 eV) en diamant (ca. 5,5 eV) heten ultra-wide-bandgap-halfgeleiders.
De doorslagveldsterkte van SiC is ongeveer tien keer die van silicium, zodat een dunnere, zwaarder gedoteerde driftlaag dezelfde spanning blokkeert met een veel lagere weerstand. Het verdraagt ook hogere temperaturen en geleidt warmte beter, wat zowel de verliezen als de koelbehoefte verlaagt.
Beide zijn wide-bandgaphalfgeleiders, met een bandgap van ongeveer 3,3 en 3,4 eV. SiC wordt als eigen substraat gegroeid en vooral gebruikt voor verticale MOSFET's en diodes bij hoge spanning en stroom, terwijl GaN-vermogenstransistors meestal laterale HEMT's zijn, gegroeid op vreemde substraten zoals silicium, die uitblinken in zeer snel schakelen bij gemiddelde spanningen.
4H-SiC is het polytype van siliciumcarbide met een hexagonale stapelvolgorde van vier lagen. Het is de standaardkeuze voor vermogenscomponenten, omdat het een bandgap van ongeveer 3,26 eV combineert met een elektronenmobiliteit rond 1000 cm²/V·s en relatief weinig anisotropie.
SiC heeft een grote bandkloof van ca.
Wat is de belangrijkste reden dat SiC (siliciumcarbide) voo…Halfgeleiders met een bandkloof van ruwweg 3 eV of meer worden wide-bandgap-halfgeleiders genoemd, met SiC (ca.
Wat is de verzamelnaam voor halfgeleiders met een grotere b…Bij Si is met een Schottkyjunctie moeilijk een hoge doorslagspanning te verkrijgen, maar met SiC kunnen ook types van 600 tot 1700 V worden gemaakt.
Wat is het belangrijkste voordeel van een SiC-Schottkydiode…SiC en GaN schakelen met zeer snelle spanningsveranderingen (dv/dt) en stroomveranderingen (di/dt) van enkele tientallen tot 100 V/ns, waardoor piekspanningen door parasitaire inductanties van de bedrading en elektromagnetische ruis (EMI) door stromen via parasitaire capaciteiten gemakkelijk groot worden.
Welk probleem vraagt om speciale tegenmaatregelen bij snel …SiC-componenten hebben een lage aan-weerstand en weinig schakelverlies en zijn bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het verlies in de EV-omvormer kan worden verminderd.
Wat is het belangrijkste voordeel van SiC-vermogenscomponen…GaN (galliumnitride) Bandgap (bandkloof) IGBT Epitaxiale groei Aan-weerstand (on-resistance) GaAs (galliumarsenide) Via Vermogens-MOSFET (power MOSFET) Ga2O3 (galliumoxide) Schakelverlies