ການເປີດເຜີຍການອອກແບບ ແລະ ການຜະລິດຊິບຊິລິກອນຄາໄບ (SiC): ຈາກພື້ນຖານເຖິງການນຳໃຊ້

MOSFETs ຊິລິກອນຄາໄບ (SiC) ແມ່ນອຸປະກອນເຄິ່ງຕົວນຳພະລັງງານປະສິດທິພາບສູງ ເຊິ່ງໄດ້ກາຍເປັນສິ່ງຈຳເປັນໃນອຸດສາຫະກຳຕ່າງໆ ຕັ້ງແຕ່ພາຫະນະໄຟຟ້າ ແລະ ພະລັງງານທົດແທນ ຈົນເຖິງລະບົບອັດຕະໂນມັດທາງອຸດສາຫະກຳ. ເມື່ອປຽບທຽບກັບ MOSFETs ຊິລິກອນ (Si) ແບບດັ້ງເດີມ, MOSFETs SiC ໃຫ້ປະສິດທິພາບທີ່ດີກວ່າພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂທີ່ຮຸນແຮງ, ລວມທັງອຸນຫະພູມສູງ, ແຮງດັນ ແລະ ຄວາມຖີ່. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ການບັນລຸປະສິດທິພາບທີ່ດີທີ່ສຸດໃນອຸປະກອນ SiC ແມ່ນເກີນກວ່າການໄດ້ຮັບວັດສະດຸທີ່ມີຄຸນນະພາບສູງ ແລະ ຊັ້ນ epitaxial - ມັນຕ້ອງການການອອກແບບທີ່ລະອຽດອ່ອນ ແລະ ຂະບວນການຜະລິດທີ່ກ້າວໜ້າ. ບົດຄວາມນີ້ໃຫ້ການສຳຫຼວດຢ່າງເລິກເຊິ່ງກ່ຽວກັບໂຄງສ້າງການອອກແບບ ແລະ ຂະບວນການຜະລິດທີ່ເຮັດໃຫ້ MOSFETs SiC ປະສິດທິພາບສູງ.

1. ການອອກແບບໂຄງສ້າງຊິບ: ຮູບແບບທີ່ຊັດເຈນເພື່ອປະສິດທິພາບສູງ

ການອອກແບບຂອງ SiC MOSFETs ເລີ່ມຕົ້ນດ້ວຍຮູບແບບຂອງເວເຟີ SiC, ເຊິ່ງເປັນພື້ນຖານສຳລັບລັກສະນະທັງໝົດຂອງອຸປະກອນ. ຊິບ SiC MOSFET ທົ່ວໄປປະກອບດ້ວຍອົງປະກອບທີ່ສຳຄັນຫຼາຍຢ່າງຢູ່ເທິງໜ້າດິນຂອງມັນ, ລວມທັງ:

• ແຜ່ນແຫຼ່ງຂໍ້ມູນ

• ແຜ່ນປະຕູ

• ແຜ່ນແຫຼ່ງຂໍ້ມູນ Kelvin

ເທວົງແຫວນປາຍຂອບ(ຫຼືແຫວນຄວາມດັນ) ເປັນຄຸນສົມບັດສຳຄັນອີກອັນໜຶ່ງທີ່ຕັ້ງຢູ່ອ້ອມຮອບຂອບຂອງຊິບ. ວົງແຫວນນີ້ຊ່ວຍປັບປຸງແຮງດັນໄຟຟ້າແຕກຫັກຂອງອຸປະກອນໂດຍການຫຼຸດຜ່ອນຄວາມເຂັ້ມຂຸ້ນຂອງສະໜາມໄຟຟ້າຢູ່ແຄມຂອງຊິບ, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງປ້ອງກັນກະແສໄຟຟ້າຮົ່ວໄຫຼ ແລະ ເພີ່ມຄວາມໜ້າເຊື່ອຖືຂອງອຸປະກອນ. ໂດຍປົກກະຕິແລ້ວ, ວົງແຫວນປາຍຂອບແມ່ນອີງໃສ່ການຂະຫຍາຍຈຸດສິ້ນສຸດທາງແຍກ (JTE)ໂຄງສ້າງ, ເຊິ່ງໃຊ້ການເສີມເລິກເພື່ອເພີ່ມປະສິດທິພາບການແຈກຢາຍສະໜາມໄຟຟ້າ ແລະ ປັບປຸງແຮງດັນໄຟຟ້າແຕກຫັກຂອງ MOSFET.

2. ຈຸລັງທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ: ຫຼັກຂອງປະສິດທິພາບການສະຫຼັບ

ເທຈຸລັງທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວໃນ MOSFET SiC ມີໜ້າທີ່ຮັບຜິດຊອບຕໍ່ການນຳກະແສໄຟຟ້າ ແລະ ການສະຫຼັບກະແສໄຟຟ້າ. ຈຸລັງເຫຼົ່ານີ້ຖືກຈັດລຽງຕາມຂະໜານ, ໂດຍຈຳນວນຈຸລັງມີຜົນກະທົບໂດຍກົງຕໍ່ຄວາມຕ້ານທານການເປີດ/ປິດໂດຍລວມ (Rds(on)) ແລະ ຄວາມສາມາດໃນການໃຊ້ກະແສໄຟຟ້າລັດວົງຈອນຂອງອຸປະກອນ. ເພື່ອເພີ່ມປະສິດທິພາບ, ໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງຈຸລັງ (ເຊິ່ງເອີ້ນວ່າ "ລະດັບຂອງຈຸລັງ") ຈະຫຼຸດລົງ, ເຊິ່ງຊ່ວຍປັບປຸງປະສິດທິພາບການນຳກະແສໄຟຟ້າໂດຍລວມ.

ຈຸລັງທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວສາມາດຖືກອອກແບບໃນສອງຮູບແບບໂຄງສ້າງຫຼັກຄື:ຮາບພຽງແລະຄູນ້ຳໂຄງສ້າງ. ໂຄງສ້າງແບບຮາບພຽງ, ໃນຂະນະທີ່ງ່າຍດາຍກວ່າ ແລະ ໜ້າເຊື່ອຖືກວ່າ, ມີຂໍ້ຈຳກັດໃນການປະຕິບັດເນື່ອງຈາກໄລຍະຫ່າງຂອງເຊວ. ໃນທາງກົງກັນຂ້າມ, ໂຄງສ້າງຮ່ອງຊ່ວຍໃຫ້ການຈັດລຽງເຊວມີຄວາມໜາແໜ້ນສູງຂຶ້ນ, ຫຼຸດຜ່ອນ Rds(on) ແລະເຮັດໃຫ້ສາມາດຈັດການກະແສໄຟຟ້າໄດ້ສູງຂຶ້ນ. ໃນຂະນະທີ່ໂຄງສ້າງຮ່ອງກຳລັງໄດ້ຮັບຄວາມນິຍົມຍ້ອນປະສິດທິພາບທີ່ດີກວ່າ, ໂຄງສ້າງແບບຮາບພຽງຍັງຄົງໃຫ້ຄວາມໜ້າເຊື່ອຖືໃນລະດັບສູງ ແລະ ສືບຕໍ່ໄດ້ຮັບການປັບປຸງໃຫ້ດີທີ່ສຸດສຳລັບການນຳໃຊ້ສະເພາະ.

3. ໂຄງສ້າງ JTE: ການປັບປຸງການບລັອກແຮງດັນ

ເທການຂະຫຍາຍຈຸດສິ້ນສຸດທາງແຍກ (JTE)ໂຄງສ້າງແມ່ນລັກສະນະການອອກແບບທີ່ສຳຄັນໃນ SiC MOSFETs. JTE ປັບປຸງຄວາມສາມາດໃນການບລັອກແຮງດັນຂອງອຸປະກອນໂດຍການຄວບຄຸມການແຈກຢາຍສະໜາມໄຟຟ້າຢູ່ແຄມຂອງຊິບ. ນີ້ແມ່ນສິ່ງສຳຄັນສຳລັບການປ້ອງກັນການແຕກຫັກກ່ອນໄວອັນຄວນຢູ່ແຄມ, ບ່ອນທີ່ສະໜາມໄຟຟ້າສູງມັກຈະເຂັ້ມຂຸ້ນ.

ປະສິດທິພາບຂອງ JTE ແມ່ນຂຶ້ນກັບຫຼາຍປັດໃຈ:

• ຄວາມກວ້າງຂອງພາກພື້ນ JTE ແລະ ລະດັບການໃຊ້ສານກະຕຸ້ນຄວາມກວ້າງຂອງພາກພື້ນ JTE ແລະ ຄວາມເຂັ້ມຂຸ້ນຂອງສານໂດບກຳນົດການແຈກຢາຍຂອງສະໜາມໄຟຟ້າຢູ່ແຄມຂອງອຸປະກອນ. ພາກພື້ນ JTE ທີ່ກວ້າງກວ່າ ແລະ ມີສານໂດບຫຼາຍກວ່າເກົ່າສາມາດຫຼຸດຜ່ອນສະໜາມໄຟຟ້າ ແລະ ເພີ່ມແຮງດັນໄຟຟ້າແຕກຫັກ.

• ມຸມ ແລະ ຄວາມເລິກຂອງໂກນ JTEມຸມ ແລະ ຄວາມເລິກຂອງໂກນ JTE ມີອິດທິພົນຕໍ່ການແຈກຢາຍຂອງສະໜາມໄຟຟ້າ ແລະ ໃນທີ່ສຸດກໍ່ສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ແຮງດັນໄຟຟ້າແຕກຫັກ. ມຸມໂກນທີ່ນ້ອຍກວ່າ ແລະ ພາກພື້ນ JTE ທີ່ເລິກກວ່າຈະຊ່ວຍຫຼຸດຜ່ອນຄວາມແຮງຂອງສະໜາມໄຟຟ້າ, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງປັບປຸງຄວາມສາມາດຂອງອຸປະກອນໃນການຕ້ານທານກັບແຮງດັນໄຟຟ້າທີ່ສູງຂຶ້ນ.

• ການເຮັດໃຫ້ພື້ນຜິວເປັນຮູບຕົວຊັ້ນປ້ອງກັນພື້ນຜິວມີບົດບາດສຳຄັນໃນການຫຼຸດຜ່ອນກະແສໄຟຟ້າຮົ່ວໄຫຼຂອງພື້ນຜິວ ແລະ ເພີ່ມແຮງດັນໄຟຟ້າແຕກຫັກ. ຊັ້ນປ້ອງກັນທີ່ໄດ້ຮັບການປັບປຸງໃຫ້ດີທີ່ສຸດຮັບປະກັນວ່າອຸປະກອນຈະເຮັດວຽກໄດ້ຢ່າງໜ້າເຊື່ອຖືເຖິງແມ່ນວ່າຢູ່ໃນແຮງດັນໄຟຟ້າສູງ.

ການຄຸ້ມຄອງຄວາມຮ້ອນແມ່ນການພິຈາລະນາທີ່ສຳຄັນອີກອັນໜຶ່ງໃນການອອກແບບ JTE. MOSFETs SiC ສາມາດເຮັດວຽກໃນອຸນຫະພູມສູງກວ່າຊິລິກອນຂອງພວກມັນ, ແຕ່ຄວາມຮ້ອນທີ່ຫຼາຍເກີນໄປສາມາດເຮັດໃຫ້ປະສິດທິພາບ ແລະ ຄວາມໜ້າເຊື່ອຖືຂອງອຸປະກອນຫຼຸດລົງ. ດັ່ງນັ້ນ, ການອອກແບບຄວາມຮ້ອນ, ລວມທັງການລະບາຍຄວາມຮ້ອນ ແລະ ການຫຼຸດຜ່ອນຄວາມກົດດັນທາງຄວາມຮ້ອນ, ແມ່ນສິ່ງສຳຄັນໃນການຮັບປະກັນຄວາມໝັ້ນຄົງຂອງອຸປະກອນໃນໄລຍະຍາວ.

4. ການສູນເສຍການສະຫຼັບ ແລະ ຄວາມຕ້ານທານການນຳໄຟຟ້າ: ການເພີ່ມປະສິດທິພາບ

ໃນ SiC MOSFETs,ຄວາມຕ້ານທານການນຳໄຟຟ້າ(Rds(on)) ແລະການສູນເສຍການປ່ຽນແປງແມ່ນສອງປັດໄຈຫຼັກທີ່ກຳນົດປະສິດທິພາບໂດຍລວມ. ໃນຂະນະທີ່ Rds(on) ຄວບຄຸມປະສິດທິພາບຂອງການນຳກະແສໄຟຟ້າ, ການສູນເສຍການສະຫຼັບເກີດຂຶ້ນໃນລະຫວ່າງການຫັນປ່ຽນລະຫວ່າງສະຖານະເປີດ ແລະ ປິດ, ເຊິ່ງປະກອບສ່ວນເຂົ້າໃນການຜະລິດຄວາມຮ້ອນ ແລະ ການສູນເສຍພະລັງງານ.

ເພື່ອປັບປຸງຕົວກໍານົດການເຫຼົ່ານີ້ໃຫ້ດີທີ່ສຸດ, ຕ້ອງໄດ້ພິຈາລະນາປັດໄຈການອອກແບບຫຼາຍຢ່າງ:

• ອັດຕາເຊວໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງເຊວທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວມີບົດບາດສຳຄັນໃນການກຳນົດ Rds(on) ແລະ ຄວາມໄວໃນການສະຫຼັບ. ການຫຼຸດຜ່ອນໄລຍະຫ່າງຊ່ວຍໃຫ້ມີຄວາມໜາແໜ້ນຂອງເຊວສູງຂຶ້ນ ແລະ ຄວາມຕ້ານທານການນຳໄຟຟ້າຕ່ຳລົງ, ແຕ່ຄວາມສຳພັນລະຫວ່າງຂະໜາດໄລຍະຫ່າງ ແລະ ຄວາມໜ້າເຊື່ອຖືຂອງປະຕູຍັງຕ້ອງມີຄວາມສົມດຸນເພື່ອຫຼີກເວັ້ນກະແສໄຟຟ້າຮົ່ວໄຫຼຫຼາຍເກີນໄປ.

• ຄວາມໜາຂອງປະຕູອົກໄຊຄວາມໜາຂອງຊັ້ນປະຕູອົກໄຊມີຜົນກະທົບຕໍ່ຄວາມຈຸຂອງປະຕູ, ເຊິ່ງໃນທາງກັບກັນມີອິດທິພົນຕໍ່ຄວາມໄວໃນການສະຫຼັບ ແລະ Rds(on). ປະຕູອົກໄຊທີ່ບາງກວ່າຈະເພີ່ມຄວາມໄວໃນການສະຫຼັບ ແຕ່ຍັງເພີ່ມຄວາມສ່ຽງຂອງການຮົ່ວໄຫຼຂອງປະຕູ. ດັ່ງນັ້ນ, ການຊອກຫາຄວາມໜາຂອງປະຕູອົກໄຊທີ່ດີທີ່ສຸດແມ່ນສິ່ງຈຳເປັນສຳລັບການດຸ່ນດ່ຽງຄວາມໄວ ແລະ ຄວາມໜ້າເຊື່ອຖື.

• ຄວາມຕ້ານທານຂອງປະຕູຄວາມຕ້ານທານຂອງວັດສະດຸປະຕູມີຜົນກະທົບຕໍ່ທັງຄວາມໄວໃນການສະຫຼັບ ແລະ ຄວາມຕ້ານທານການນຳໄຟຟ້າໂດຍລວມ. ໂດຍການລວມເຂົ້າກັນຄວາມຕ້ານທານປະຕູໂດຍກົງເຂົ້າໄປໃນຊິບ, ການອອກແບບໂມດູນຈະກາຍເປັນມີປະສິດທິພາບຫຼາຍຂຶ້ນ, ຫຼຸດຜ່ອນຄວາມສັບສົນ ແລະ ຈຸດລົ້ມເຫຼວທີ່ອາດເກີດຂຶ້ນໃນຂະບວນການຫຸ້ມຫໍ່.

5. ຄວາມຕ້ານທານປະຕູປະສົມປະສານ: ເຮັດໃຫ້ການອອກແບບໂມດູນງ່າຍຂຶ້ນ

ໃນບາງການອອກແບບ SiC MOSFET,ຄວາມຕ້ານທານປະຕູປະສົມປະສານຖືກນໍາໃຊ້, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ການອອກແບບໂມດູນ ແລະ ຂະບວນການຜະລິດງ່າຍຂຶ້ນ. ໂດຍການລົບລ້າງຄວາມຕ້ອງການສໍາລັບຕົວຕ້ານທານປະຕູພາຍນອກ, ວິທີການນີ້ຊ່ວຍຫຼຸດຜ່ອນຈໍານວນອົງປະກອບທີ່ຕ້ອງການ, ຫຼຸດຜ່ອນຄ່າໃຊ້ຈ່າຍໃນການຜະລິດ, ແລະ ປັບປຸງຄວາມໜ້າເຊື່ອຖືຂອງໂມດູນ.

ການລວມເອົາຄວາມຕ້ານທານປະຕູໂດຍກົງໃສ່ຊິບໃຫ້ຜົນປະໂຫຍດຫຼາຍຢ່າງ:

• ການປະກອບໂມດູນແບບງ່າຍດາຍຄວາມຕ້ານທານຂອງປະຕູຮົ້ວປະສົມປະສານເຮັດໃຫ້ຂະບວນການເຊື່ອມຕໍ່ສາຍໄຟງ່າຍຂຶ້ນ ແລະ ຫຼຸດຜ່ອນຄວາມສ່ຽງຂອງຄວາມລົ້ມເຫຼວ.

• ການຫຼຸດຕົ້ນທຶນການລົບລ້າງອົງປະກອບພາຍນອກຊ່ວຍຫຼຸດຜ່ອນໃບບິນຄ່າວັດສະດຸ (BOM) ແລະ ຕົ້ນທຶນການຜະລິດໂດຍລວມ.

• ຄວາມຍືດຫຍຸ່ນໃນການຫຸ້ມຫໍ່ທີ່ດີຂຶ້ນການເຊື່ອມໂຍງຂອງຄວາມຕ້ານທານຂອງປະຕູຊ່ວຍໃຫ້ການອອກແບບໂມດູນທີ່ກະທັດຮັດ ແລະ ມີປະສິດທິພາບຫຼາຍຂຶ້ນ, ເຊິ່ງນຳໄປສູ່ການປັບປຸງການນຳໃຊ້ພື້ນທີ່ໃນການຫຸ້ມຫໍ່ສຸດທ້າຍ.

6. ສະຫຼຸບ: ຂະບວນການອອກແບບທີ່ສັບສົນສຳລັບອຸປະກອນຂັ້ນສູງ

ການອອກແບບ ແລະ ການຜະລິດ MOSFETs SiC ກ່ຽວຂ້ອງກັບການພົວພັນທີ່ສັບສົນຂອງຕົວກໍານົດການອອກແບບ ແລະ ຂະບວນການຜະລິດຈຳນວນຫຼາຍ. ຕັ້ງແຕ່ການເພີ່ມປະສິດທິພາບຮູບແບບຊິບ, ການອອກແບບຈຸລັງທີ່ໃຊ້ງານ, ແລະ ໂຄງສ້າງ JTE, ຈົນເຖິງການຫຼຸດຜ່ອນຄວາມຕ້ານທານການນຳໄຟຟ້າ ແລະ ການສູນເສຍການສະຫຼັບ, ແຕ່ລະອົງປະກອບຂອງອຸປະກອນຕ້ອງໄດ້ຮັບການປັບແຕ່ງຢ່າງລະອຽດເພື່ອໃຫ້ໄດ້ປະສິດທິພາບທີ່ດີທີ່ສຸດ.

ດ້ວຍຄວາມກ້າວໜ້າຢ່າງຕໍ່ເນື່ອງໃນເຕັກໂນໂລຊີການອອກແບບ ແລະ ການຜະລິດ, MOSFETs SiC ກຳລັງມີປະສິດທິພາບ, ໜ້າເຊື່ອຖື ແລະ ປະຫຍັດຕົ້ນທຶນເພີ່ມຂຶ້ນເລື້ອຍໆ. ຍ້ອນວ່າຄວາມຕ້ອງການອຸປະກອນທີ່ມີປະສິດທິພາບສູງ ແລະ ປະຫຍັດພະລັງງານເພີ່ມຂຶ້ນ, MOSFETs SiC ພ້ອມແລ້ວທີ່ຈະມີບົດບາດສຳຄັນໃນການສະໜອງພະລັງງານໃຫ້ແກ່ລະບົບໄຟຟ້າລຸ້ນຕໍ່ໄປ, ຕັ້ງແຕ່ຍານພາຫະນະໄຟຟ້າຈົນເຖິງຕາຂ່າຍໄຟຟ້າພະລັງງານທົດແທນ ແລະ ອື່ນໆ.