تفاصيل المدونة

أصبحت مواد الكربيد السيليكونية (SiC) أساساً للأجهزة الإلكترونية الجيل القادموفعاليات أعلى من التقنيات التقليدية القائمة على السيليكونمع تسارع اعتماد SiC عبر إلكترونيات الطاقة، والاتصالات الراديوية، ومجالات الكم والإستشعار الناشئة، أصبح اختيار الركيزة قرارًا مهمًا في التصميم المبكر.

من بين الأكثر استخدامارصيف SiCأنواع، N-type conductive SiC و High-Purity Semi-Insulating (HPSI) SiC يخدمون أغراض مختلفة جداً. على الرغم من أنها قد تبدو متشابهة من حيث الهيكل البلورية والتشطيب السطحي،سلوكهم الكهربائي، تحمل العيوب، والتطبيقات المستهدفة تختلف بشكل أساسي.

توفر هذه المقالة مقارنة واضحة ومدفوعة بالتطبيقالرواسب HPSI SiC، مساعدة المهندسين والباحثين، وفرق الشراء لاتخاذ قرارات مستنيرة بناء على متطلبات الجهاز بدلا من المصطلحات التسويقية.

1فهم أساسيات قاع SiC

قبل مقارنة نوع N و HPSI SiC ، من المفيد توضيح ما يشترك بينهما.

معظم الركائز التجارية لـ SiC هي:

• مواد بلورية واحدة تزرع عن طريق نقل البخار الفيزيائي (PVT)

• عادةً ما يكون 4H-SiC polytype ، بسبب تحركية الإلكترونات المتفوقة وهيكل النطاق

• متوفرة في قطرات من 4 بوصة إلى 8 بوصة، مع 6 بوصة تهيمن حاليا على الإنتاج الضخم

الاختلاف الرئيسي بين أنواع الركائز لا يكمن في الشبكة البلورية ، ولكن في التحكم المتعمد في الشوائب والمقاومة الكهربائية.

2ما هو الـ N-type SiC؟

2.1 تعريف و آلية المنشطات

يتم تعاطي الركائز SiC من النوع N عمداً بالشوائب المانحة ، الأكثر شيوعًا النيتروجين (N). هذه المواد المضادة تدخل الإلكترونات الحرة إلى الشبكة البلورية ،جعل الركيزة موصلة كهربائيًا.

خصائص نموذجية:

• المقاومة: ~ 0.01 ≈ 0.1 Ω · cm

• حاملات الأغلبية: الإلكترونات

• السلوك الموصل: مستقرة على نطاق واسع من درجات الحرارة

2.2 لماذا مهمة التوصيل

في العديد من الأجهزة الكهربائية والبصرية ، لا يكون الركيزة مجرد دعم ميكانيكي. كما أنها تعمل ك:

• مسار التوصيل الحالي

• قناة تبديد الحرارة

• إمكانية كهربائية مرجعية

يمكن أن تسمح الأساسات من النوع N ببناء بنية أجهزة عمودية حيث يتدفق التيار عبر الأساس نفسه ، مما يسهل تصميم الجهاز ويحسن من موثوقيته.

3ما هو HPSI SiC؟

3تعريف واستراتيجية التعويض

تم تصميم HPSI SiC (SiC شبه معزول عالي النقاء) ليكون لها مقاومة عالية للغاية ، عادةً ما تكون أكبر من 107 ‰ 109 Ω · cm. بدلاً من إضافة المانحين ،المصنعون يوازنون بعناية بين الشوائب المتبقية والعيوب الجوهرية لقمع الناقلين الحرين.

يتم تحقيق ذلك من خلال:

• المنشطات الخلفية المنخفضة للغاية

• تعويضات بين المانحين والمقبولين

• مراقبة صارمة لظروف نمو البلورات

3.2 العزل الكهربائي كسمة

على عكس الركائز من النوع N ، تم تصميم HPSI SiC لحجب تدفق التيار. تكمن قيمته في توفير:

• العزل الكهربائي

• إدارة طفيلية منخفضة

• أداء RF مستقر في الترددات العالية

في أجهزة الترددات الراديوية وميكروويف، فإن موصلة الركيزة غير المرغوب فيها تهدر بشكل مباشر كفاءة الجهاز ووحدة الإشارة.

4مقارنة جنبا إلى جنب

5دليل الاختيار القائم على التطبيق

5.1 إلكترونيات الطاقة: ميزة واضحة عن النوع N

أجهزة نموذجية:

• الموسفيتات SiC

• ثنائيات الحاجز (SBD)

• ثنائيات بي إن

• وحدات الطاقة للسيارات الكهربائية وبنية تحتية الشحن

لماذا النوع الـ N يعمل بشكل أفضل:

• يدعم تدفق التيار الرأسي

• تمكن من مقاومة منخفضة

• يقدم توصيل حراري ممتاز لتبديد الحرارة

استخدام HPSI SiC في أجهزة الطاقة سيقدم مقاومة كهربائية غير ضرورية وتعقيد تصميم الجهاز.

الحكم:
النوع N SiC هو المعيار الصناعي لألكترونيات الطاقة

5.2 أجهزة الترددات الراديوية وميكروويف: HPSI ضرورية

أجهزة نموذجية:

• أجهزة HEMT RF GaN-on-SiC

• مكبرات طاقة الميكروويف

• مكونات الرادار والاتصالات عبر الأقمار الصناعية

لماذا هو HPSI حاسمة:

• يقلل من فقدان إشارة الراديو اللاسلكي في الركيزة

• يقلل من سعة الطفيليات

• يحسن مكاسب، والخطية، وكفاءة الطاقة

في تطبيقات الترددات الراديوية ، يمكن أن يؤدي حتى التوصيل الخفيف للجزء السفلي إلى تدهور الأداء في الترددات العالية.

الحكم:

HPSI SiC هو الخيار المفضل لأنظمة RF والميكروويف

5.3 الألكترونيات الضوئية والاستشعار: حسب الحالة

تطبيقات مثل:

• أجهزة الكشف الضوئي فوق البنفسجية

• أجهزة استشعار درجات الحرارة العالية

• الهياكل الإلكترونية الضوئية المتخصصة

قد تستخدم إما النوع N أو الركائز شبه العازلة ، اعتمادًا على:

• بنية الجهاز

• متطلبات الإشارة إلى الضوضاء

• التكامل مع مواد أخرى

في هذه الحالات ، غالباً ما يتم تحديد اختيار الركيزة في مرحلة التشريح وتصميم الدوائر ، بدلاً من الركيزة وحدها.

6اعتبارات الموثوقية والعيوب والعائد

من منظور التصنيع ، يجب أن يستوفي كلا نوعي الركيزة متطلبات جودة صارمة:

• الكثافة المنخفضة للميكروبايب

• تحركات مستوى القاعدة الخاضعة للرقابة (BPD)

• المقاومة المتساوية والسمك

ومع ذلك ، فإن الركائز HPSI أكثر حساسية لعيوب النمو ، حيث يمكن أن تقلل الناقلات غير المقصودة من المقاومة بشكل كبير. وهذا يؤدي إلى:

• انخفاض العائد الإجمالي

• ارتفاع تكاليف التفتيش والتأهيل

• سعر نهائي أعلى

على النقيض من ذلك ، تتحمل الرواسب من النوع N مستويات العيوب معينة بسهولة أكبر في بيئات الإنتاج ذات الحجم الكبير.

7تكلفة وواقع سلسلة التوريد

في حين أن التسعير يختلف حسب حجم وسلسلة الوافرات ، فإن الاتجاهات العامة قائمة:

• نوع N SiC:

  • سلسلة توريد أكثر نضجاً

  • أعلى أحجام الإنتاج

  • تكلفة أقل لكل رقاقة

• HPSI SiC:

  • الموردين المؤهلين محدودين

  • تحكم أكثر صرامة في النمو

  • تكلفة أعلى وأوقات تسليم أطول

بالنسبة للمشاريع التجارية ، غالبًا ما تؤثر هذه العوامل على اختيار الركيزة بقدر ما تؤثر على الأداء الفني.

8كيفية اختيار القالب المناسب

إطار عمل للقرارات:

1. هل من المفترض أن يتدفق التيار من خلال القاعدة؟
   → نعم → نوع N SiC

2. هل العزل الكهربائي حاسم لأداء الجهاز؟
   → نعم → HPSI SiC

3. هل التطبيق هو الترددات الراديوية، الميكروويف، أو الترددات العالية؟
   → دائما تقريبا → HPSI SiC

4. هل حساسية التكلفة عالية مع حجم الإنتاج الكبير؟
   → من المحتمل أن يكون النوع N من SiC

الاستنتاج

إن نوع N و HPSI SiC substrates ليسا بديلاً متنافساً ، بل مواد مصممة خصيصاً تم تحسينها لمتطلبات الأجهزة المختلفة بشكل أساسي.النوع N SiC يمكّن من توصيل الطاقة والإدارة الحرارية بكفاءة، مما يجعلها لا غنى عنها في إلكترونيات الطاقة. HPSI SiC ، على النقيض من ذلك ، يوفر العزل الكهربائي اللازم لتطبيقات الترددات العالية والاتصالات الراديوية حيث تكون سلامة الإشارة ذات أهمية قصوى.

إن فهم هذه الاختلافات على مستوى الركيزة يساعد على منع إعادة تصميم مكلفة في وقت لاحق من دورة التطوير ويضمن أن اختيارات المواد تتوافق مع الأداء على المدى الطويل ، والموثوقية ،وأهداف التوسع.

في تكنولوجيا SiC، الركيزة الصحيحة ليست أفضل واحدة متاحة ‬ انها واحدة أفضل مطابقة لتطبيقك.