הבן את החיים הקודמים של סיליקון קרביד!
Jan 16, 2024
סיליקון קרביד (SiC) מותך בטמפרטורה גבוהה בתנור התנגדות באמצעות חול קוורץ, קוק נפט (או קוק פחם) ושבבי עץ כחומרי גלם. סיליקון קרביד קיים בטבע גם כמינרל נדיר, moissanite. סיליקון קרביד נקרא גם moissanite. בין חומרי גלם עקשן עכשוויים שאינם תחמוצתיים, כגון C, N ו-B, סיליקון קרביד הוא הנפוץ והחסכוני ביותר. זה יכול להיקרא חול אמרי או חול עקשן.
1. החיים בעבר ובהווה של סיליקון קרביד
בשל התכונות הכימיות היציבות שלו, מוליכות תרמית גבוהה, מקדם התפשטות תרמית קטן ועמידות טובה בפני שחיקה, לסיליקון קרביד שימושים רבים נוספים מלבד השימוש בו כחומר שוחק, כגון ציפוי אבקת סיליקון קרביד בתהליך מיוחד על הקיר הפנימי של המבנה. אימפלר טורבינה או בלוק צילינדר, זה יכול לשפר את עמידות הבלאי שלו ולהאריך את חיי השירות שלו פי 1 עד 2; החומר העקשן המתקדם העשוי ממנו עמיד בפני זעזועים תרמיים, קטן בגודלו, קל משקל, חוזק גבוה, ובעל אפקט טוב של חיסכון באנרגיה. סיליקון קרביד בדרגה נמוכה (המכיל כ-85% SiC) הוא מסיר חמצון מצוין. זה יכול להאיץ את ייצור הפלדה, להקל על השליטה בהרכב הכימי ולשפר את איכות הפלדה. בנוסף, נעשה שימוש נרחב בסיליקון קרביד גם בייצור מוטות סיליקון קרביד לגופי חימום חשמליים.
סיליקון קרביד קשה מאוד, עם קשיות Mohs של 9.5, שני רק ליהלום הקשה בעולם (רמה 10). יש לו מוליכות תרמית מעולה, הוא מוליך למחצה, ויכול להתנגד לחמצון בטמפרטורות גבוהות.
טבלת היסטוריה של סיליקון קרביד
| 1905 | סיליקון קרביד התגלה במטאוריט בפעם הראשונה |
| 1907 | נולדה דיודה פולטת האור הראשונה של גביש סיליקון קרביד |
| 1955 | פריצת דרך גדולה בתיאוריה ובטכנולוגיה, LELY הציעה את הרעיון של גידול פחמימה באיכות גבוהה, ומאז SiC נחשב לחומר אלקטרוני חשוב. |
| 1958 | ועידת הסיליקון קרביד העולמית הראשונה התקיימה בבוסטון לצורך חילופי דברים אקדמיים |
| 1978 | בשנות ה-60 וה-70, סיליקון קרביד נחקר בעיקר על ידי ברית המועצות לשעבר. בשנת 1978 אומצה לראשונה שיטת טיהור וגידול הדגנים של "טכנולוגיה משופרת של LELY". |
| 1987-הווה | על סמך תוצאות המחקר של CREE הוקם קו ייצור של סיליקון קרביד, והספקים החלו לספק בסיסי סיליקון קרביד ממוסחרים. |
2. מאפיינים מועילים של התקני סיליקון קרביד
סיליקון קרביד (SiC) הוא כיום החומר הבוגר ביותר של מוליכים למחצה רחבי פס. מדינות ברחבי העולם מייחסות חשיבות רבה למחקר של SiC והשקיעו כוח אדם ומשאבים חומריים רבים בפיתוח פעיל. ארצות הברית, אירופה, יפן וכו' הן לא רק תוכניות מחקר מקבילות גובשו ברמה הלאומית, וכמה ענקיות אלקטרוניקה בינלאומיות גם השקיעו רבות בפיתוח התקני מוליכים למחצה סיליקון קרביד.
בהשוואה לסיליקון רגיל, לרכיבים המשתמשים בסיליקון קרביד יש את המאפיינים הבאים:
מאפייני מתח גבוה:
התקני סיליקון קרביד הם פי 10 מהתנגדות המתח של התקני סיליקון מקבילים.
התנגדות המתח של צינורות שוטקי סיליקון קרביד יכולה להגיע ל-2400V.
צינורות אפקט שדה סיליקון קרביד יכולים לעמוד בפני מתחים של עשרות אלפי וולט, וההתנגדות שלהם במצב לא גדולה במיוחד.
מאפייני תדר גבוה:
מאפיינים של טמפרטורה גבוהה:
כיום, כאשר חומרי ה-Si קרובים למגבלת הביצועים התיאורטית, התקני הספק של SiC תמיד נחשבו ל"מכשירים אידיאליים" וצפויים להם מאוד בגלל מתח העמידות הגבוה שלהם, הפסד נמוך, יעילות גבוהה ומאפיינים אחרים. עם זאת, בהשוואה להתקני SiC קודמים, האיזון בין הביצועים והעלות של התקני כוח SiC והביקוש שלהם לטכנולוגיה גבוהה יהפוך למפתח לשאלה האם התקני כוח SiC יכולים להפוך לפופולריים באמת.
נכון לעכשיו, מכשירי סיליקון קרביד בעלי הספק נמוך נכנסו לשלב ייצור המכשיר המעשי מהמעבדה. נכון לעכשיו, המחיר של פרוסות סיליקון קרביד עדיין גבוה יחסית, ויש להן גם פגמים רבים. באמצעות מחקר ופיתוח מתמשכים, צפוי שמכשירי סיליקון קרביד ישלטו בשוק מכשירי החשמל בסביבות 2010. אבל זה לא המקרה.
3. מה מצב הפיתוח הנוכחי של התקני סיליקון קרביד?
1. פרמטרים טכניים: למשל, מתח דיודת Schottky עולה מ-250 וולט ליותר מ-1,000 וולט, שטח השבב קטן יותר, אך הזרם הוא רק כמה עשרות אמפר. טמפרטורת ההפעלה מוגברת ל-180 מעלות, וזה רחוק מהקדמה של 600 מעלות. ירידת המתח אינה מספקת אף יותר, היא אינה שונה מחומר סיליקון, ומפל המתח הגבוה קדימה חייבת להגיע ל-2V.
2. מחיר שוק: בערך פי 5 עד 6 מזה של ייצור חומרי סיליקון.
4. מהם הקשיים בפיתוח של סיליקון קרביד (מכשירי SiC)?הבעיה בפיתוח מכשירי סיליקון קרביד אינה העיצוב העקרוני של השבב, במיוחד עיצוב מבנה השבב. לא קשה לפתור את זה. הקושי טמון במימוש תהליך הייצור של מבנה השבב. דוגמאות הן כדלקמן: 1. צפיפות פגמים במיקרו-צינור של פרוסות סיליקון קרביד. 2. יעילות התהליך האפיטקסיאלי נמוכה. 3. לתהליך הסימום יש דרישות מיוחדות.
4. ייצור מגע אוהם. 5. עמידות בטמפרטורה של חומרים תומכים.
האמור לעיל הן רק כמה דוגמאות, לא כולן. עדיין קיימות בעיות תהליכיות רבות שאין להן פתרונות אידיאליים, כגון תהליך תעלות פני השטח של מוליכים למחצה סיליקון קרביד, תהליך פסיבציה מסוף והשפעת מצב הממשק של שכבת תחמוצת השער על היציבות ארוכת הטווח של התקני MOSFET מסיליקון קרביד. האם התעשייה עדיין הגיעה לקונצנזוס? מסקנות עקביות וכו' הפריעו מאוד להתפתחות המהירה של מכשירי כוח סיליקון קרביד.
5. סקירת פיתוח של תחומי היישום העיקריים של סיליקון קרביד
נכון לעכשיו, הדור השלישי של חומרים מוליכים למחצה גורם למהפכה באנרגיה נקייה ודור חדש של טכנולוגיית מידע אלקטרונית. בין אם מדובר בתאורה, מכשירי חשמל ביתיים, ציוד אלקטרוניקה לצרכן, רכבי אנרגיה חדשים, רשתות חכמות או אספקה צבאית, מוליכים למחצה בעלי ביצועים גבוהים אלה הם חומרים מבוקשים מאוד. על פי הפיתוח של מוליכים למחצה מהדור השלישי, היישומים העיקריים שלו הם תאורת מוליכים למחצה, מכשירי חשמל, לייזרים וגלאים ועוד ארבעה תחומים.
1. תאורת מוליכים למחצה
בין ארבעת תחומי היישום, תעשיית תאורת המוליכים למחצה התפתחה הכי מהר ויצרה קנה מידה תעשייתי של עשרות מיליארדי דולרים.
2. חשמל מכשירים אלקטרוניים
בתחום האלקטרוניקה הכוח, החלה היישום של מוליכים למחצה רחבי פס רחב, וגודל השוק הוא רק כמה מאות מיליוני דולרים. היישום שלו מתרכז בעיקר בתחום הציוד החדיש הצבאי ומתרחב בהדרגה לתחום האזרחי.
3. לייזרים וגלאים
בתחום יישומי הלייזר והגלאים, לייזרים מבוססי GaN יכולים לכסות טווח ספקטרום רחב ולממש את הייצור של לייזרים כחולים, ירוקים ואולטרה סגולים וזיהוי אולטרה סגול.
4. יישומים אחרים
בתחום המחקר החדשני, ניתן להשתמש במוליכים למחצה רחבי פס בתאים סולאריים, חיישנים ביולוגיים, מדיות ייצור מימן על בסיס מים ויישומים מתפתחים אחרים. נכון לעכשיו, אזורים חמים אלה עדיין נמצאים בשלב המחקר והפיתוח של המעבדה.
נכון לעכשיו, הדור השלישי של חומרים מוליכים למחצה גורם למהפכה באנרגיה נקייה ודור חדש של טכנולוגיית מידע אלקטרונית. בין אם מדובר בתאורה, מכשירי חשמל ביתיים, ציוד אלקטרוניקה לצרכן, רכבי אנרגיה חדשים, רשתות חכמות או אספקה צבאית, מוליכים למחצה בעלי ביצועים גבוהים אלה הם חומרים מבוקשים מאוד. על פי הפיתוח של מוליכים למחצה מהדור השלישי, היישומים העיקריים שלו הם תאורת מוליכים למחצה, מכשירי חשמל, לייזרים וגלאים ועוד ארבעה תחומים.
1. תאורת מוליכים למחצה
בין ארבעת תחומי היישום, תעשיית תאורת המוליכים למחצה התפתחה הכי מהר ויצרה קנה מידה תעשייתי של עשרות מיליארדי דולרים.
2. חשמל מכשירים אלקטרוניים
בתחום האלקטרוניקה הכוח, החלה היישום של מוליכים למחצה רחבי פס רחב, וגודל השוק הוא רק כמה מאות מיליוני דולרים. היישום שלו מתרכז בעיקר בתחום הציוד החדיש הצבאי ומתרחב בהדרגה לתחום האזרחי.
3. לייזרים וגלאים
בתחום יישומי הלייזר והגלאים, לייזרים מבוססי GaN יכולים לכסות טווח ספקטרום רחב ולממש את הייצור של לייזרים כחולים, ירוקים ואולטרה סגולים וזיהוי אולטרה סגול.
4. יישומים אחרים
בתחום המחקר החדשני, ניתן להשתמש במוליכים למחצה רחבי פס בתאים סולאריים, חיישנים ביולוגיים, מדיות ייצור מימן על בסיס מים ויישומים מתפתחים אחרים. נכון לעכשיו, אזורים חמים אלה עדיין נמצאים בשלב המחקר והפיתוח של המעבדה.
זוג: לא
