Características de los materiales de carburo de silicio
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Características de los materiales de carburo de silicio
El SiC (carburo de silicio) es un semiconductor compuesto de silicio (Si) y carbono (C). En comparación con el Si, el SiC tiene diez veces más fuerza de campo de ruptura dieléctrica, tres veces más ancho de banda y tres veces más conductividad térmica. Las regiones de tipo p y tipo n necesarias para formar estructuras de dispositivos en materiales semiconductores se pueden formar en SiC. Estas características hacen del SiC un material muy atractivo que se puede utilizar para fabricar dispositivos de potencia con un rendimiento muy superior al de sus homólogos de Si. Los dispositivos de SiC pueden soportar un voltaje de ruptura más alto, tienen una resistividad más baja y pueden funcionar a temperaturas más altas.
El SiC existe en diversas estructuras cristalinas polimórficas, conocidas como politipos, como el SiC 3C, el SiC 6H y el SiC 4H. En la actualidad, el SiC 4H suele ser la opción preferida en la fabricación de dispositivos de potencia. Existen chips de SiC 4H monocristalinos con diámetros que van desde 3 pulgadas hasta 6 pulgadas.
Ventajas de utilizar materiales de carburo de silicio en dispositivos de potencia
La intensidad del campo de ruptura dieléctrica es aproximadamente diez veces mayor que la del Si. Los dispositivos de SiC se pueden fabricar con capas de deriva más delgadas y/o concentraciones de dopaje más altas, lo que significa que tienen voltajes de ruptura muy altos (600 V y más) y tienen una resistencia muy baja en comparación con los dispositivos de silicio. La resistencia de los dispositivos de alto voltaje está determinada principalmente por el ancho de la región de deriva. En teoría, bajo el mismo voltaje de ruptura, el SiC puede reducir la resistencia de área unitaria de la capa de deriva a 1/300 en comparación con el Si.
El dispositivo de potencia de silicio más popular para aplicaciones de alto voltaje y alta corriente es el IGBT (transistor bipolar de puerta aislada). Al utilizar IGBT, se logró una baja resistencia bajo alto voltaje de ruptura a costa de sacrificar el rendimiento de conmutación. Se inyecta una pequeña cantidad de portadores de carga en la región de deriva para reducir la resistencia de conducción. Cuando se apaga el transistor, estos portadores tardan un tiempo en recombinarse y "disiparse", lo que aumenta las pérdidas y el tiempo de conmutación. Por el contrario, los MOSFET son dispositivos de portadores mayoritarios. Al utilizar el alto campo de ruptura y la concentración de portadores del SiC, los MOSFET de SiC pueden combinar las tres características ideales de los interruptores de potencia, es decir, alto voltaje, baja resistencia de encendido y alta velocidad de conmutación.
Un mayor ancho de banda también significa que los dispositivos de SiC pueden funcionar a temperaturas más altas. La temperatura de funcionamiento garantizada actual para los dispositivos de SiC está entre 150 °C y 175 °C. Esto se debe principalmente a la fiabilidad térmica del embalaje. Si se envasan correctamente, pueden funcionar a temperaturas de 200 °C o más.
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