Почему GaN и SiC становятся ключевыми материалами в силовой электронике
Эти материалы обладают широкой запрещенной зоной и имеют превосходные параметры энергоэффективности, благодаря чему становятся идеальным выбором не только для данной сферы, но и других областей силовой электроники. Вместе с экспертами «ЗУМ-СМД» рассмотрим преимущества использования данных компонентов.
Классификация полупроводников
В современной электронике, занимающейся обработкой и передачей значительных электрических нагрузок, доминируют такие полупроводниковые материалы:
- кремний (Si);
- арсенид галлия (GaAs);
- GaN;
- SiC.
Эти материалы традиционно группируют по их свойствам: Si и GaAs составляют одну категорию, а SiC и GaN — другую.
Ключевое различие между ними — ширина запрещенной зоны. Эта величина отражает энергетический барьер, который должен преодолеть носитель заряда, чтобы перейти из связанного состояния (валентная зона) в свободное, способствующее возможности протекания тока через кристалл. Чем больше свободных носителей заряда, тем ниже эквивалентное сопротивление материала. А значит потери, вызванные тепловыделением, будут намного меньше.
Преимущественные свойства SiC- и GaN-материалов
В настоящее время, как в российских, так и в зарубежных научных изданиях, посвященных работам с высокой мощностью в электрических цепях, наблюдается устойчивое предпочтение к применению материалов SiC и GaN. Причина этого кроется в отличительных физических свойствах, что вполне логично, поскольку Si и GaAs материалы имеют такие достоинства:
- электрическая прочность этих материалов на порядок превосходит показатели традиционные Si и GaAs;
- приборы во включенном состоянии демонстрируют удельное сопротивление, которое в разы меньше;
- материалы демонстрируют исключительную устойчивость к радиационному воздействию;
- крайне малые обратные токи благодаря широкой запрещенной зоне;
- обеспечивается высокая чистота сигнала за счет сверхмалого накопления зарядов;
- быстродействие выше, чем аналогов;
- карбид кремния обладает выдающейся способностью эффективно отводить тепло.
Но есть и отрицательна сторона: частотные характеристики высоковольтных приборов на SiC и GaN уступают Si, а тем более GaAs-аналогам. Это ограничивает их применение в ВЧ-передатчиках и высокоэнергоплотных преобразователях. А в таких отраслях, как фотовольтаика, LED, электромобили, авиация (включая БПЛА), GPS и космос использование возможно лишь в некоторых силовых низкочастотных системах.
Перспективы применения SiC- и GaN-компонентов
Создание электронных компонентов нового поколения, особенно с использованием передовых материалов, проходит через несколько основных этапов развития. На первом этапе ученые и исследователи публикуют статьи, в которых описываются результаты изучения новых материалов и их потенциал для создания электроники следующего поколения. Такие исследования проводятся в университетах или промышленных исследовательских центрах.
На втором этапе формируются бизнес-проекты, часто опирающиеся на научные наработки исследовательских центров. Здесь происходит создание и изучение реальных прототипов электронных устройств, а также их первые практические тесты. Этот этап выступает индикатором того, насколько успешно новые изделия и технологии смогут найти свое применение на практике.