5-6-4-1-1 sic Schottky Leistungsgleichrichter.

4-phasige Schottky-Dioden (mit Bemessungssperrspannungen bis zu 1200 V und Einschaltströmen bis zu 20 A) sind jetzt im Handel erhältlich. die Grundstruktur dieser unipolaren Dioden ist ein gemusterter Metall-Schottky-Anodenkontakt, der auf einer relativ dünnen (ungefähr in der Größenordnung von 10 μm Dicke) leicht n-dotierten homoepitaxialen Schicht liegt, die auf einer viel dickeren (ungefähr 200-300 μm) gewachsen ist. niederohmiges n-Typ-4h-Substrat (8 ° außerhalb der Achse, wie in Abschnitt 5.4.4.2 diskutiert) mit rückseitiger Kathodenkontaktmetallisierung. Schutzringstrukturen (normalerweise Implantate vom p-Typ) werden üblicherweise verwendet, um die elektrischen Feldverdichtungseffekte um die Kanten des Anodenkontakts zu minimieren. Die Passivierung und die Verpackung helfen dabei, Lichtbögen / Oberflächenüberschläge zu verhindern, die den zuverlässigen Betrieb des Geräts beeinträchtigen. Die Hauptanwendung dieser Geräte war bisher die Verwendung von Schaltnetzteilen, bei denen (im Einklang mit der Diskussion in Abschnitt 5.3.2) das schnellere Schalten des sic-Schottky-Gleichrichters mit geringerer Verlustleistung einen Betrieb mit höherer Frequenz und das Schrumpfen von Kondensatoren, Induktivitäten und die Gesamtgröße und das Gewicht des Netzteils. insbesondere ermöglicht die effektive Abwesenheit von Minoritätsträgerladungsspeicherung, dass die unipolaren Schottky-Vorrichtungen viel schneller abschalten als die Siliciumgleichrichter (die pn-Sperrschichtdioden oberhalb von ~ 200 V sein müssen), die beim Abschalten die injizierte Minoritätsladungsträgerladungsladung abführen müssen . obwohl die Teilkosten von Gleichrichtern höher waren als bei konkurrierenden Siliziumgleichrichtern, werden dennoch insgesamt niedrigere Stromversorgungssystemkosten mit nützlichen Leistungsvorteilen erzielt. Es ist jedoch zu beachten, dass Änderungen im Schaltungsdesign manchmal notwendig sind, um Schaltungsfähigkeiten mit akzeptabler Zuverlässigkeit am besten zu verbessern, wenn Silizium mit sic-Komponenten ersetzt wird. Wie bereits in Abschnitt 5.4.5 diskutiert, begrenzt die Qualität des Halbleitermaterials derzeit die Strom- und Spannungswerte von Halbleiterschottky-Dioden. Bei einer hohen Vorwärtsspannung ist die Schottky-Dioden-Stromleitung hauptsächlich durch den Serienwiderstand der schwach dotierten Sperrschicht begrenzt. Die Tatsache, dass dieser Reihenwiderstand mit der Temperatur ansteigt (aufgrund der verringerten Trägheit des Trägermaterials), treibt die Gleichrichtung hoher Vorwärtsströme durch jede Diode, wenn mehrere Schottky-Dioden parallel geschaltet sind, um höhere Durchlassstromwerte zu bewältigen.

5-6-4-1-2 bipolare und hybride Leistungsgleichrichter

für höhere Spannungsanwendungen sollte die bipolare Minoritätsladungsinjektion (d. h. die Leitfähigkeitsmodulation) es ermöglichen, dass sic-pn-Dioden höhere Stromdichten als unipolare Schottky-Dioden führen, deren Driftbereiche ausschließlich unter Verwendung von Dotierstoffatom-Majoritätsträgern leiten. konsistent mit Silizium-Gleichrichter Erfahrung, sic pn-Übergang Generation bedingte Leckage ist in der Regel kleiner als thermiciassisted Schottky-Diode Reverse-Leckage. Wie bei bipolaren Siliziumvorrichtungen ist eine reproduzierbare Steuerung der Minoritätsladungsträgerlebensdauer wesentlich für die Optimierung der Leistungsdichtekompensation von Schaltstrom- und Durchlassstrom-Leistungsdifferenzen bipolarer Halbleitervorrichtungen für spezielle Anwendungen. die Reduzierung der Ladungsträgerlebensdauer durch intentionale Verunreinigung und die Einführung von strahlungsinduzierten Defekten erscheint möglich. jedoch, Die Fähigkeit, konsistent lange Minoritätsladungsträgerlebensdauern (über eine Mikrosekunde) zu erhalten, hat sich zum jetzigen Zeitpunkt als etwas schwer fassbar erwiesen, was darauf hinweist, dass eine weitere Verbesserung der Wachstumsprozesse des Halbleitermaterials erforderlich ist, um das volle Potenzial von bipolaren Leistungsgleichrichtern zu realisieren. zum jetzigen Zeitpunkt sind sic-bipolare Leistungsgleichrichter noch nicht im Handel erhältlich. Eine schlechte elektrische Zuverlässigkeit durch elektrisch angetriebene Expansion von 4h-epitaxialen Schichtstapelfehlern, die durch Defekte in der Basisebenenversetzung ausgelöst wurden (Tabelle 5.2), verhinderte in den späten 1990er Jahren konzertierte Anstrengungen zur Kommerzialisierung von 4h-Si-pn-Übergangsdioden. insbesondere führte die bipolare Elektron-Loch-Rekombination, die bei in Durchlassrichtung vorgespannten pn-Übergängen auftritt, zu einer Vergrößerung der Stapelunordnung in der 4h-Blockierungsschicht und bildet einen sich vergrößernden Quantentopf (basierend auf einer schmaleren 3c-Bandlücke), der den Transport (Diffusion) effektiv verschlechtert ) von Minoritätsträgern über die leicht dotierte Sperrschicht. als ein Ergebnis erhöhen sich die Vorwärtsspannungen von 4-Hz-Gleichrichtern, die erforderlich sind, um den Nenn-Einschaltstrom aufrechtzuerhalten, im Laufe der Zeit unvorhersagbar und in unerwünschter Weise. Wie in Abschnitt 5.4.5 diskutiert, hat die Forschung zum Verständnis und zur Überwindung dieses durch Materialdefekte ausgelösten Problems wichtige Fortschritte gemacht, so dass hoffentlich sic bipolare Leistungsgeräte innerhalb weniger Jahre kommerzialisiert werden könnten. Ein Nachteil der großen Bandlücke besteht darin, dass größere Vorwärtsvorspannungen benötigt werden, um das Einschalt- \"Knie\" einer Diode zu erreichen, wo ein signifikanter Durchlassstrom zu fließen beginnt. wiederum kann die höhere Kniespannung zu einem unerwünschten Anstieg der Durchlassleistung im eingeschalteten Zustand führen. Die Vorteile eines 100-fach verringerten Driftb...

5-6-4-2 sic Hochleistungs-Schalttransistoren

Dreipolleistungsschalter, die kleine Ansteuersignale verwenden, um große Spannungen und Ströme zu steuern (d. h. Leistungstransistoren), sind ebenfalls kritische Bausteine ​​von Hochleistungsumwandlungsschaltungen. Zum Zeitpunkt dieses Schreibens sind jedoch sic-Leistungsschalttransistoren noch nicht kommerziell für eine vorteilhafte Verwendung in Stromversorgungsschaltungen verfügbar. wie in den Referenzen 134, 135, 172, 180 und 186-188 zusammengefaßt, wurde in den letzten Jahren eine Vielzahl verbesserter Dreipol-Leistungsschalter entwickelt. Der derzeitige Mangel an kommerziellen Leistungsschalttransistoren ist größtenteils auf einige technologische Schwierigkeiten zurückzuführen, die an anderer Stelle in diesem Kapitel diskutiert wurden. zum Beispiel enthalten alle Hochleistungshalbleitertransistoren Hochfeldübergänge, die für das Blockieren des Stromflusses im Sperrzustand verantwortlich sind. Daher gelten Leistungseinschränkungen aufgrund von Siliziumkristalldefekten an Diodengleichrichtern (Abschnitte 5.4.5 und 5.6.4.1) auch für sic-Hochleistungstransistoren. Auch die Leistung und Zuverlässigkeit von auf Inversionskanälen basierenden MOS-Feldeffektgates (d. h. MOSFETs, IGBTs usw.) wurde durch schlechte Inversionskanalbeweglichkeiten und fragliche Gate-Isolator-Zuverlässigkeit begrenzt, die in Abschnitt 5.5.5 diskutiert werden. Um diese Probleme zu vermeiden, wurden sic-Bauelementstrukturen, die nicht auf hochwertigen Gate-Isolatoren beruhen, wie der Mesfet-, Jfet-, Bjt- und Verarmungs-Kanal-MOSFET, zur Verwendung als Leistungsschalttransistoren prototypisiert. Diese anderen Vorrichtungs-Topologien erlegen jedoch nicht-standardmäßige Anforderungen an das Schaltungsdesign von Leistungssystemen auf, die sie im Vergleich zu den auf Silizium basierenden Inversionskanal-MOSFETs und IGBTs unattraktiv machen. insbesondere Silizium-Leistungs-MOSFETs und -IGBTs sind in Leistungsschaltkreisen äußerst beliebt, hauptsächlich weil ihre MOS-Gate-Ansteuerungen gut von dem leitenden Leistungskanal isoliert sind, wenig Antriebssignalleistung erfordern und die Vorrichtungen \"normalerweise ausgeschaltet\" sind, da kein Strom fließt wenn das Tor bei 0 v unverzerrt ist, die Tatsache, dass der andere Bauelement-Topologien, denen einer oder mehrere dieser hochgradig leitungsfreundlichen Aspekte fehlen, haben dazu beigetragen, dass sic-basierte Bauelemente nicht in der Lage sind, auf Silizium basierende MOSFETs und IGBTs in Stromsystemanwendungen zu ersetzen. Wie bereits in Abschnitt 5.5.5 diskutiert, wird die kontinuierliche Verbesserung der 4h-sic-Mosfet-Technologie hoffentlich bald zur Kommerzialisierung von 4h-sic-Mosfets führen. In der Zwischenzeit scheint sich eine vorteilhafte Hochspannungsumschaltung durch Koppeln eines Hochspannungs-JFET mit einem Niederspannungs-Silicium-Leistungs-MOSFET in ein einzelnes Modulpaket der praktischen Kommerzialisierung zu nähern. zahlreiche Designs für sic-dotierte-Kanal-Fets (mit sowohl lateralen als auch vertikalen Kanäl...

5-6-5 sic mikroelektromechanische Systeme (mems) und Sensoren

Wie in Hesekeths Kapitel über Mikrobearbeitung in diesem Buch beschrieben, wird die Entwicklung und Verwendung von Silizium-basierten Mems weiter ausgebaut. Während die vorherigen Abschnitte dieses Kapitels sich auf die Verwendung von SIC für traditionelle elektronische Halbleitergeräte konzentrierten, wird erwartet, dass sic auch eine bedeutende Rolle in neu entstehenden mems-Anwendungen spielt. sic hat ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, die einige Unzulänglichkeiten von siliziumbasierten Elementen wie extreme Härte und geringe Reibung, die den mechanischen Verschleiß verringern, sowie eine ausgezeichnete chemische Inertheit gegenüber korrosiven Atmosphären adressieren. zum Beispiel wird untersucht, ob eine hervorragende Lebensdauer von sics für einen Langzeitbetrieb von elektrischen Mikromotoren und Mikrostrahlmotor-Energieerzeugungsquellen, bei denen die mechanischen Eigenschaften von Silizium unzureichend erscheinen, ermöglicht wird. Leider machen die gleichen Eigenschaften, die Silizium langlebiger als Silizium machen, auch Mikromaschinen schwieriger. Ansätze zur Herstellung von Mem-Strukturen in harscher Umgebung in sic- und Prototyp-sic-mems die bis heute erhaltenen Ergebnisse sind in den Referenzen 124 und 190 beschrieben. Die Unfähigkeit, ein Ätzen von einkristallinem 4h- und 6h-sic mit nasschemischen Chemikalien durchzuführen (Abschnitt 5.5.4) erschwert die Mikrobearbeitung dieser Elektronikklasse. Daher wurde der Großteil der Mikrobearbeitung bisher in elektrisch minderwertigen heteroepitaktischen 3c-Silizium- und polykristallinen Siliziumschichten implementiert, die auf Siliziumwafern abgeschieden wurden. Variationen der Massenmikrobearbeitung, Oberflächenmikrobearbeitung und Mikroformungstechniken wurden verwendet, um eine große Vielzahl von mikromechanischen Strukturen herzustellen, einschließlich Resonatoren und Mikromotoren. Ein standardisierter sic-auf-Silizium-Wafer-mikromechanischer Herstellungsprozeß-Gießerei-Dienst, der es Benutzern ermöglicht, ihre eigenen anwendungsspezifischen sic-mikrobearbeiteten Vorrichtungen zu realisieren, während der Wafer-Raum und die Kosten mit anderen Benutzern geteilt werden, ist im Handel erhältlich. Für Anwendungen, die eine Hochtemperatur-, Leckstrom-Elektronik mit auf Silizium abgeschiedenen Siliziumschichten (einschließlich Hochtemperaturtransistoren, wie in Abschnitt 5.6.2 diskutiert) nicht möglich sind, Konzepte für die Integration von leistungsfähigerer Elektronik mit Speichern auf 4h / 6h-Halbleiterscheiben mit Epilieren wurden ebenfalls vorgeschlagen. zum Beispiel werden Drucksensoren, die zur Verwendung in Hochtemperaturbereichen von Strahltriebwerken entwickelt werden, in 6h-sic implementiert, hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass eine geringe Sperrschichtleckage erforderlich ist, um einen korrekten Sensorbetrieb zu erreichen. Auf dem Chip wird eine integrierte 4h / 6h-Transistorelektronik entwickelt, die die Signalkonditionierung an der Hochtemperaturmessstelle ermöglicht....

5-7 Zukunft von sic

Es kann mit Sicherheit vorausgesagt werden, dass Silizium niemals Silizium als dominierenden Halbleiter ersetzen wird, der für die Herstellung der überwiegenden Mehrheit der elektronischen Chips weltweit verwendet wird, hauptsächlich digitale und analoge Niederspannungs-Chips für den Betrieb in normalen menschlichen Umgebungen (Computer, Mobiltelefone) , etc.). sic wird nur dort eingesetzt, wo erhebliche Vorteile durch die Fähigkeit von sic möglich sind, die Umgebung von Hochleistungs- und Hochtemperaturbetriebsbedingungen wie den in Abschnitt 5.3 beschriebenen Anwendungen zu erweitern. vielleicht ist das einzige große existierende Anwendungsgebiet, in dem sic die heutige Verwendung von Silizium im Wesentlichen verdrängen könnte, der Bereich von diskreten Leistungsbauelementen, die bei der Energieumwandlung, Motorsteuerung und Managementschaltungen verwendet werden. Der Markt für Leistungsbauelemente stellt zusammen mit dem Markt für Fahrzeugmesstechnik die größte Marktchance für Halbleiterbauelemente auf Halbleiterbasis dar. Die Endverbraucher in beiden dieser Anwendungen erfordern jedoch eine unermüdlich hohe Zuverlässigkeit (d. h. keine Betriebsfehler) in Kombination mit wettbewerbsmäßig niedrigen Gesamtkosten. Damit die sic-elektronik-technologie einen großen einfluss hat, muss sie sich von ihrem derzeitigen Status stark weiterentwickeln, um diesen anforderungen gerecht zu werden. Es gibt eindeutig eine sehr große Diskrepanz zwischen dem revolutionären breiten theoretischen Versprechen der Halbleiter-Halbleitertechnologie (Abschnitt 5.3) und der Funktionsfähigkeit von Komponenten, die auf SIC basieren und tatsächlich nur in wenigen kommerziellen und militärischen Anwendungen eingesetzt wurden (Abschnitt 5.6). Ebenso besteht eine große Diskrepanz zwischen den Fähigkeiten von Laborgeräten im Vergleich zu kommerziell eingesetzten Geräten. Die Unfähigkeit vieler \"erfolgreicher\" Laborprototypen, schnell auf ein kommerzielles Produkt überzugehen, zeigt sowohl die Schwierigkeit als auch die Kritikalität, akzeptable Zuverlässigkeit und Kosten zu erreichen.

5-7-1 Zukunft gebunden an materielle Probleme

In den vorangegangenen Abschnitten dieses Kapitels wurden bereits die wichtigsten bekannten technischen Hindernisse und Unsicherheiten hervorgehoben, die weitgehend für die Behinderung der Gerätefähigkeit verantwortlich sind. Im Allgemeinen führen diese Hindernisse zu einer Handvoll grundlegender materieller Probleme. Die Geschwindigkeit, mit der das kritischste dieser fundamentalen Probleme gelöst wird, wird sich stark auf die Verfügbarkeit, Fähigkeit und Nützlichkeit der Halbleiterelektronik auswirken. Die Zukunft der SIC-Elektronik ist daher mit Investitionen in die Grundlagenforschung verbunden, um anspruchsvolle materialbedingte Hindernisse für die Leistung, den Ertrag und die Zuverlässigkeit von SIC-Geräten zu lösen. die materielle herausforderung, die wohl der größte schlüssel für die zukunft von sic ist, ist die entfernung von versetzungen von sic-wafern. Wie zuvor in diesem Kapitel und in den darin enthaltenen Literaturstellen beschrieben, werden die wichtigsten sic-Leistungsgleichrichter-Leistungsmetriken, einschließlich Gerätebewertungen, Zuverlässigkeit und Kosten, unausweichlich durch hohe Versetzungsdichten beeinträchtigt, die in kommerziellen Halbleiterscheiben und Epilayern vorhanden sind. Wenn sich die massenproduzierte Siliziumwaferqualität derjenigen von Siliziumwafern annähert (die typischerweise weniger als einen Versetzungsdefekt pro Quadratzentimeter enthalten), würden viel leistungsfähigere unipolare und bipolare Hochleistungsgleichrichter (einschließlich Geräte mit Kilovolt- und Kiloampere-Bewertungen) schnell breit werden verfügbar für eine vorteilhafte Verwendung in einer viel größeren Vielfalt von Hochleistungsanwendungen. Ähnliche Verbesserungen würden auch in sic-transistoren erreicht werden, was den weg für sic-high-power-geräte ebnen würde, um tatsächlich siliziumbasierte Leistungsbauelemente in einer enorm breiten und nützlichen reihe von anwendungen und systemen zu ersetzen (abschnitt 5.3). Dieser Fortschritt würde eine viel schnellere und breitere sic-fähige leistungselektronische Systeme \"Revolution\" im Vergleich zu der relativ langsameren \"Evolution\" und Nischen-Markteinführung, die seit der ersten Sic-Wafern vor etwa 15 Jahren kommerzialisiert wurde freischalten. Wie in Abschnitt 5.4 erwähnt, zeigen aktuelle Laborergebnisse, dass drastische Reduktionen von Waferversetzungen möglich sind, indem radikal neue Ansätze für das Waferwachstum im Vergleich zu Standard-Boule-Wachstumstechniken, die von allen kommerziellen Wafer-Herstellern seit über einem Jahrzehnt praktiziert werden, entwickelt wurden. Die ultimative Zukunft von Sic-Hochleistungsvorrichtungen kann wohl von der Entwicklung und praktischen Kommerzialisierung von Niedrigversetzungsdichte-Sic-Wachstumstechniken abhängen, die sich wesentlich von den heute verwendeten unterscheiden. Es ist wichtig anzumerken, dass andere Halbleiter mit großer Bandlücke neben sic theoretisch ähnlich große Vorteile des elektrischen Systems gegenüber der Silizium-Halbleit...

5-7-2 weitere empfohlene Lektüre