Rectificadores de alta potencia 5-6-4-1 sic

el rectificador de diodo de alta potencia es un componente fundamental de los circuitos de conversión de potencia. revisiones recientes de los resultados de rectificadores sic experimentales se dan en las referencias 3, 134, 172, 180 y 181. las disyuntivas más importantes del diseño del dispositivo rectificador de diodos sic son aproximadamente correctas compensaciones bien conocidas del rectificador de silicio, excepto por el hecho de que las densidades actuales , voltajes, densidades de potencia y velocidades de conmutación son mucho mayores en sic. por ejemplo, los rectificadores de diodos Schottky semiconductores son dispositivos portadores mayoritarios que son bien conocidos por exhibir una conmutación muy rápida debido a la ausencia de almacenamiento de carga de portadora minoritaria que domina (es decir, ralentiza, provocando de forma adversa una energía residual y calor no deseados) la operación de conmutación de bipolar rectificadores de unión pn. sin embargo, el campo de descomposición alto y el ancho de banda de energía permiten el funcionamiento de diodos schottky semiconductores sic de metal a voltajes mucho más altos (más de 1 kv) que los prácticos con diodos schottky basados ​​en silicio que están limitados a operación por debajo de ~ 200 v debido a polarización por fugas termiónicas.

5-6-4-1-1 rectificadores de potencia sic schottky.

Los diodos schottky de potencia 4h-sic (con voltajes de bloqueo nominales de hasta 1200 v y corrientes nominales de estado de hasta 20 a la fecha de este escrito) ahora están disponibles comercialmente. la estructura básica de estos diodos unipolares es un contacto de ánodo schottky de metal estampado que reside en la parte superior de una capa homoepitaxial ligeramente delgada (aproximadamente del orden de 10 μm de espesor) ligeramente dopada crecida en un espesor mucho mayor (alrededor de 200-300 μm) sustrato de baja resistividad tipo 4h-sic (8 ° fuera de eje, como se discutió en la sección 5.4.4.2) con metalización de contacto en el cátodo posterior. Las estructuras de anillo de protección (usualmente implantes de tipo p) se emplean generalmente para minimizar los efectos de amontonamiento del campo eléctrico alrededor de los bordes del contacto del ánodo. la pasivación y el empaquetamiento de las pastillas ayudan a evitar el arqueo / descarga disruptiva de la superficie que daña la operación confiable del dispositivo. la aplicación principal de estos dispositivos hasta la fecha ha sido fuentes de alimentación conmutadas, donde (de acuerdo con la discusión en la sección 5.3.2) la conmutación más rápida del rectificador sic schottky con menos pérdida de potencia ha permitido un funcionamiento de frecuencia más alta y la reducción de condensadores, inductores y el tamaño y el peso de la fuente de alimentación general. en particular, la ausencia efectiva de almacenamiento de carga del portador minoritario permite que los dispositivos sic schottky unipolares se apaguen mucho más rápido que los rectificadores de silicio (que deben ser diodos de unión pn superiores a ~ 200 v de bloqueo) que deben disipar la energía de carga del portador minoritario inyectado cuando se apaga . aunque el costo de parte de los rectificadores sic ha sido más alto que el de los rectificadores de silicio de la competencia, sin embargo se logra un costo de sistema de suministro de energía más bajo con beneficios de rendimiento útiles. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los cambios en el diseño del circuito a veces son necesarios para mejorar las capacidades del circuito con una fiabilidad aceptable cuando se reemplaza el silicio con componentes sic. como se discutió en la sección 5.4.5, la calidad del material sic actualmente limita las clasificaciones de corriente y voltaje de los diodos sic schottky. bajo alta polarización directa, la conducción de corriente del diodo schottky está limitada principalmente por la resistencia en serie de la capa de bloqueo ligeramente dopada. el hecho de que esta resistencia en serie aumenta con la temperatura (debido a la disminución de la movilidad del portador de epilayer) impulsa la equilización de corrientes hacia adelante altas a través de cada diodo cuando varios diodos schottky son paralelos para manejar clasificaciones de corriente en estado más altas.

5-6-4-1-2 rectificadores de potencia bipolares e híbridos

para aplicaciones de mayor voltaje, la inyección de carga del portador minoritario bipolar (es decir, la modulación de conductividad) debería permitir que los diodos pn sic lleven mayores densidades de corriente que los diodos schottky unipolares cuyas regiones de derivación conducen únicamente utilizando portadores mayoritarios de átomos dopantes. en consonancia con la experiencia del rectificador de silicio, la fuga inversa relacionada con la generación de uniones de pn sic suele ser más pequeña que la pérdida inversa del diodo schottky termiónico. como con los dispositivos bipolares de silicio, el control reproducible de la vida útil de la portadora minoritaria será esencial para optimizar la velocidad de conmutación versus las compensaciones de rendimiento de la densidad de corriente en el estado de los dispositivos bipolares sic para aplicaciones específicas. la reducción de la vida útil del portador a través de la incorporación intencional de impurezas y la introducción de defectos inducidos por la radiación parece factible. sin embargo, la capacidad de obtener tiempos de vida de portadores minoritarios consistentemente largos (por encima de un microsegundo) ha resultado un tanto elusiva al momento de escribir esto, indicando que se necesitan mejoras adicionales en los procesos de crecimiento del material sic para permitir el completo potencial de los rectificadores de potencia bipolares. al momento de escribir esto, los rectificadores bipolares de energía sic aún no están disponibles comercialmente. la escasa confiabilidad eléctrica causada por la expansión eléctrica de fallas de apilamiento de capas epitaxiales 4h-sic iniciadas a partir de defectos de dislocación del plano basal (tabla 5.2) impidió efectivamente los esfuerzos concertados para la comercialización de diodos de unión pn 4h-sic a fines de la década de 1990. en particular, la recombinación bipolar del agujero de electrones que ocurre en las uniones pn polarizadas hacia adelante condujo a la ampliación del trastorno de apilamiento en la capa de bloqueo de 4h-sic, formando un pozo cuántico de agrandamiento (basado en un gap bandc 3c-sic más estrecho) que degrada el transporte ) de portadores minoritarios a través de la capa de bloqueo de unión ligeramente dopada. como resultado, los voltajes directos de los rectificadores de 4h-sicpn requeridos para mantener el aumento nominal de la corriente en el estado aumentan de forma impredecible e indeseable a lo largo del tiempo. como se discutió en la sección 5.4.5, la investigación para comprender y superar este problema material inducido por defectos ha logrado un progreso importante, de modo que con suerte los dispositivos sic bipolares podrían comercializarse en unos pocos años. un inconveniente del ancho de banda de sic es que requiere voltajes de polarización directa más grandes para alcanzar la \"rodilla\" de encendido de un diodo donde comienza a fluir una corriente de estado significativa. a su vez, el mayor voltaje de la rodil...

5-6-4-2 sic transistores de conmutación de alta potencia

tres interruptores de potencia de terminal que usan señales de accionamiento pequeñas para controlar grandes voltajes y corrientes (es decir, transistores de potencia) también son bloques de construcción críticos de circuitos de conversión de alta potencia. sin embargo, al momento de escribir esto, los transistores sic de alta potencia de conmutación todavía no están disponibles comercialmente para un uso beneficioso en los circuitos del sistema de potencia. como se resume en las referencias 134, 135, 172, 180 y 186-188, en los últimos años se han creado prototipos de una variedad de interruptores sic de tres terminales que mejoran. la actual falta de transistores de conmutación de potencia sic comerciales se debe en gran parte a varias dificultades tecnológicas discutidas en otra parte de este capítulo. por ejemplo, todos los transistores semiconductores de alta potencia contienen uniones de campo alto responsables de bloquear el flujo de corriente en el estado desconectado. por lo tanto, las limitaciones de rendimiento impuestas por los defectos del cristal sic en los rectificadores de diodos (secciones 5.4.5 y 5.6.4.1) también se aplican a los transistores sic de alta potencia. además, el rendimiento y la confiabilidad de las puertas de efecto mos campo basadas en sic de inversión (es decir, mosfets, igbts, etc.) se han visto limitadas por las movilidades deficientes del canal de inversión y la confiabilidad cuestionable del aislante de compuertas descrita en la sección 5.5.5. para evitar estos problemas, las estructuras de dispositivo sic que no dependen de aisladores de compuerta de alta calidad, como el mesfet, jfet, bjt y el mosfet de canal de agotamiento, se han diseñado para su uso como transistores de conmutación de potencia. sin embargo, estas otras topologías de dispositivos imponen requisitos no estándar en el diseño del circuito del sistema de alimentación que los hacen poco atractivos en comparación con los mosfets e igbts del canal de inversión basados ​​en silicio. en particular, los mosts e igbts de potencia de silicio son extremadamente populares en los circuitos de alimentación principalmente porque sus unidades de compuerta están bien aisladas del canal de potencia conductora, requieren poca potencia de señal y los dispositivos están \"normalmente apagados\" porque no hay flujo de corriente cuando la puerta es imparcial a 0 v. el hecho de que la otra las topologías de dispositivos carecen de uno o más de estos aspectos altamente amigables con los circuitos, lo que ha contribuido a la incapacidad de los dispositivos basados ​​en sic para reemplazar de manera beneficiosa los mosfets e igbts basados ​​en silicio en aplicaciones de sistemas de energía. como se discutió en la sección 5.5.5, es de esperar que las continuas mejoras sustanciales en la tecnología 4h-sic mosfet conduzcan pronto a la comercialización de moshts 4h-sic. mientras tanto, la conmutación de alto voltaje ventajosa al emparejar un sf jfet de alto voltaje con un...

5-6-5 sistemas microelectromecánicos sic (mems) y sensores

como se describe en el capítulo de hesketh sobre micromecanizado en este libro, el desarrollo y uso de mems basados ​​en silicio continúa expandiéndose. Mientras que las secciones anteriores de este capítulo se han centrado en el uso de sic para los dispositivos electrónicos semiconductores tradicionales, también se espera que sic juegue un papel importante en las aplicaciones emergentes de mems. sic tiene excelentes propiedades mecánicas que solucionan algunas deficiencias de los mems basados ​​en silicio, como la dureza extrema y la baja fricción, lo que reduce el desgaste mecánico y la excelente inercia química en atmósferas corrosivas. por ejemplo, se está examinando la excelente durabilidad de los sics como habilitado para la operación de larga duración de micromotores eléctricos y fuentes de generación de energía de motores de micro-jet donde las propiedades mecánicas del silicio parecen ser insuficientes. desafortunadamente, las mismas propiedades que hacen que sic sea más duradero que el silicio también hacen que sic sea más difícil de micromecanizar. En las referencias 124 y 190 se revisaron los enfoques para fabricar estructuras de mems de ambiente áspero en sic y prototipos de sic-mems obtenidos hasta la fecha en las referencias 124 y 190. la incapacidad de realizar aguafuertes de 4-y 6-sic monocristalino con productos químicos húmedos (sección 5.5.4) hace que el micromecanizado de este sic de grado electrónico sea más difícil. por lo tanto, la mayoría de micromachining sic hasta la fecha se ha implementado en eléctricamente inferior 3c-sic y policristalino sic depositados en obleas de silicio. las variaciones de técnicas de micromaquinado masivo, micromecanizado superficial y micromoldeo se han utilizado para fabricar una amplia variedad de estructuras micromecánicas, incluidos resonadores y micromotores. un servicio de fundición de proceso de fabricación micromecánica de obleas de silicio estandarizado, que permite a los usuarios realizar sus propios dispositivos micromecanizados sic específicos de la aplicación, al tiempo que comparten espacio y costo de obleas con otros usuarios, está disponible comercialmente. para aplicaciones que requieren alta temperatura, electrónica sic de baja fuga no posible con capas sic depositadas en silicio (incluyendo transistores de alta temperatura, como se discutió en la sección 5.6.2), conceptos para integrar electrónica mucho más capaz con mems en obleas sic 4h / 6h con epilayers también se han propuesto. por ejemplo, los sensores de presión que se están desarrollando para su uso en regiones de temperatura más alta de motores a reacción se implementan en 6 h-sic, en gran parte debido al hecho de que se requiere una baja fuga de unión para lograr una operación adecuada del sensor. también se están desarrollando componentes electrónicos integrados de transistores 4h / 6h que permiten el acondicionamiento de señal en el sitio de detección de alta temperatura. con todos los sensores basados ​​en micro...

5-7 futuro de sic

se puede predecir con seguridad que sic nunca desplazará al silicio como el semiconductor dominante utilizado para la fabricación de la gran mayoría de los chips electrónicos del mundo que son principalmente chips digitales y analógicos de bajo voltaje destinados a funcionar en entornos humanos normales (computadoras, teléfonos celulares , etc.) sic solo se utilizará cuando la capacidad de sic permita expandir la envolvente de las condiciones operativas de alta potencia y alta temperatura como las aplicaciones descritas en la sección 5.3. quizás, el único área de aplicación existente importante donde sic podría desplazar sustancialmente el uso actual de silicio es el área de los dispositivos de potencia discreta utilizados en la conversión de potencia, el control del motor y los circuitos de gestión. el mercado de dispositivos de potencia, junto con el mercado de detección de automóviles presenta la oportunidad de mayor volumen de mercado para los componentes de semiconductores basados ​​en SIC. sin embargo, los consumidores finales en ambas aplicaciones exigen una fiabilidad insoportablemente alta (es decir, sin fallas operativas) combinada con un costo general competitivo bajo. para que la tecnología electrónica sic tenga un gran impacto, debe evolucionar en gran medida desde su estado actual para satisfacer estas demandas. claramente existe una discrepancia muy grande entre la promesa teórica amplia revolucionaria de la tecnología electrónica de semiconductores sic (sección 5.3) frente a la capacidad operativa de los componentes basados ​​en sic que realmente se han implementado en solo unas pocas aplicaciones comerciales y militares (sección 5.6). asimismo, existe una gran discrepancia entre las capacidades de los dispositivos sic de laboratorio en comparación con los dispositivos sic implementados comercialmente. la incapacidad de muchos prototipos de laboratorio sic \"exitosos\" para hacer una transición rápida a un producto comercial demuestra tanto la dificultad como la importancia crítica de lograr una fiabilidad y unos costes aceptables.

5-7-1 futuro vinculado a cuestiones materiales

las secciones anteriores de este capítulo ya han resaltado importantes obstáculos técnicos e inmadurez conocidos que son en gran parte responsables de la capacidad limitada de dispositivos sic. en términos más generales, estos obstáculos se reducen a un puñado de cuestiones materiales fundamentales fundamentales. la velocidad a la que se resuelve el más crítico de estos problemas fundamentales tendrá un gran impacto en la disponibilidad, la capacidad y la utilidad de la electrónica de semiconductores sic. por lo tanto, el futuro de sic electronics está vinculado a la inversión en investigación de materiales básicos para resolver los impedimentos relacionados con materiales desafiantes para el rendimiento, el rendimiento y la confiabilidad de los dispositivos sic. el desafío material que es posiblemente la clave más importante para el futuro de sic es la eliminación de las dislocaciones de las obleas sic. como se describió anteriormente en este capítulo y sus referencias, las métricas de rendimiento del rectificador de potencia sic más importantes, incluidas las clasificaciones, fiabilidad y costo del dispositivo, se ven inevitablemente afectadas por las altas densidades de dislocación presentes en las obleas y epilayers sic comerciales. si la calidad de oblea sic producida en masa se aproximara a la de las obleas de silicio (que normalmente contienen menos de un defecto de dislocación por centímetro cuadrado), los rectificadores de potencia unipolar y bipolar mucho más potentes (incluidos los dispositivos con kilovoltios y kiloamperios) se ampliarían rápidamente disponible para uso beneficioso en una variedad mucho mayor de aplicaciones de alta potencia. También se realizarían mejoras similares en los transistores sic, lo que allanaría el camino para que los dispositivos sic de alta potencia desplazaran beneficiosamente los dispositivos de potencia basados ​​en silicio en una gama tremendamente amplia y útil de aplicaciones y sistemas (sección 5.3). este avance desbloquearía una \"revolución\" de los sistemas electrónicos de potencia mucho más rápida y amplia habilitada para sic en comparación con la \"evolución\" relativamente lenta y la inserción en el nicho de mercado que ha ocurrido desde que las obleas sic se comercializaron por primera vez hace aproximadamente 15 años. como se menciona en la sección 5.4, los resultados de laboratorio recientes indican que son posibles reducciones drásticas en las dislocaciones de obleas sic utilizando enfoques radicalmente nuevos para el crecimiento de oblea sic en comparación con las técnicas de crecimiento de bola estándar practicadas por todos los vendedores de obleas sic comerciales durante más de una década. Podría decirse que el futuro último de los dispositivos de alta potencia sic puede depender del desarrollo y la comercialización práctica de técnicas de crecimiento sic de baja densidad de dislocación, sustancialmente diferentes de las empleadas actualmente. es importante tener en cuenta que otros ...

5-7-2 lectura recomendada adicional