Не всегда нужно изобретать новые полупроводниковые материалы для решения задач, например, в силовой энергетике. Иногда достаточно более подробно изучить свойства тех, которые уже квалифицированы как полупроводники. К таким «открытиям» относится карбид кремния (SiC), который, в зависимости от условий применения МОП транзисторов, может частично или полностью вытеснить кремний (селен, германий), используемый в качестве подложки.

Свойства карбида кремния

Изучение карбида кремния показало, что он обладает свойствами, более привлекательными для применения в электротехнике, чем кремний, а именно, имеет более высокие значения

  • теплопроводности,
  • напряжения пробоя,
  • плотности электрического тока.

Обнаружить карборунд в природе — большая редкость, обычно SiC производят путем синтеза

В виде природного минерала – карборунда – материал встречается крайне редко, но его промышленное производство хорошо налажено. Всем известно его применение в качестве абразивного материала за счет прочности и невысокой стоимости.

Применение в электротехнике

В диодах, транзисторах, работающих на мощностях до 10 Вт, поведение кремниевых полупроводников достаточно прогнозируемо (с соблюдением тепловых режимов эксплуатации), с повышением напряжения работа становится нестабильной. Причины этого можно рассмотреть на примере МОП транзистора, поскольку изделия подобного типа могут применяться в качестве реле (по температуре или току).

  • конструкцию МОП транзистора (полевого или, по международной терминологии, MOSFET) можно описать так. Основа – полупроводниковая подложка, на которой металлический исток и сток, разделенные диэлектриком. Чаще, оксидом кремния, поэтому в аббревиатуре средняя «О», то есть, путь для тока – канал в подложке, через полупроводник. (Рис.3)

Конструкция МОП-транзистора с n-каналом

В открытом состоянии ток через транзистор проходит. При срабатывании затвора ток, по идее, не проходит, но на практике токи утечки никто не отменял. Если при малых напряжениях такими токами можно пренебречь, то при напряжениях порядка 10 кВ от малых (в процентном отношении) токов утечки могут быть большие неприятности, наименьшая из которых – увеличение потребления сети.

Какие МОП транзисторы могут работать как силовые реле

Физико-технические характеристики карбида кремния, если им заменить кремниевую подложку, позволяют получить МОП транзисторы, способные заменить механические реле, что должно упростить и схему, и монтаж, и обслуживание. Но существует несколько проблем, решение которых требует разработки определенных технологий.

Очистка исходного материала

Для электроники или силовых сетей нужны идеально работающие приборы, поэтому используемый при изготовлении карбид кремния не должен иметь примесей. Чем больше примесей, тем менее предсказуемо срабатывание. Промышленный карбид кремния, тот, что предназначен в качестве абразива, имеет чистоту до 93%. Для электротехнических устройств нужен с чистотой, приближающейся к 100%.

Химически чистый карбид кремния обычно получают одним из трех способов:

  • возгонка порошкообразного вещества в парах аргона при температуре 2500оС с осаждением монокристаллов размером около 2х2 см;
  • химическое осаждение паров позволяет вырастить кубические кристаллы;
  • пиролиз (термическое разложение полимера (SiCH3)n) позволяет получить изделие любой формы.

Третий вариант более предпочтителен, так как материал сложен в обработке, поскольку его прочность сравнима с алмазом. После очистки материала его цена возрастает, но стоимость схемы на МОП транзисторе вполне соизмерима с устаревающими механическими прерывателями.

Вопросы технологии

При первых попытках создания транзисторов на карбиде кремния разработчики столкнулись с тем, что для открытия кремниевого требовалось подать на затвор от 1В до 4В, а для SiC от 20В до 25В, для закрытия – кремний 0В, а его карбид -5В. То есть, требовались дополнительные элементы и драйвера.

Недостатком большинства SiC-транзисторов является сложность конструкции драйвера для их управления

Американская компания UnitedSiC в конце 2020 года наладила серийный выпуск МОП транзисторов 4-го поколения с более приемлемыми характеристиками: напряжение открытия 12В, закрытия – ноль.

Области применения SiC-транзисторов

Благодаря электрическим и тепловым характеристикам карбида кремния открывается возможность создания транзисторов, значительно превосходящих по параметрам кремниевых «прародителей». Так, в инверторах, кремниевые транзисторы могут работать на частотах до 50кГц, а SiC до 150кГц. Низкие значения токов утечки, соответственно, и меньшая степень нагрева прибора на карбиде кремния позволяют упростить систему теплоотвода. Прямая выгода была доказана представленным в 2016 году электромобилем Tesla Model 3, в котором, благодаря SiC-инвертору на транзисторах STMicroelectronics, был повышен КПД двигателя и увеличен пробег от одной зарядки.

Также имеют значение, в первую очередь, для создания систем перераспределения электроэнергии: быстродействие (скорость коммутации) и предельно допустимое напряжение исток-сток, достигающее у транзисторов на карбиде кремния 15кВ. Тема создания «умной» электросети, в которую будут входить генераторы «зеленой» энергетики, а электричество будет грамотно аккумулироваться (от нескольких источников) и распределяться, актуальна в Китае.

Пример транзистора на карбиде кремния, способного выдерживать напряжение до 1200 В, но при этом выполненного в компактном корпусе

В ближайшем будущем предполагается создание компактного инвертора, без громоздких трансформаторов и конденсаторов огромной емкости, для преобразования постоянного тока от солнечных панелей или ветряков в переменный ток нужной частоты. С появлением транзисторов на карбиде кремния это вполне реально.