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碳化矽二極體

碳化矽(英語:silicon carbidecarborundum),化學式SiC,俗稱金剛砂,寶石名稱鑽髓,為矽與碳相鍵結而成的陶瓷狀化合物,碳化矽在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。自1893年起碳化矽粉末被大量用作磨料。將碳化矽粉末燒結可得到堅硬的陶瓷狀碳化矽顆粒,並可將之用於諸如汽車剎車片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中,在諸如發光二極體、早期的無線電探測器之類的電子器件製造中也有使用。如今碳化矽被廣泛用於製造高溫、高壓半導體。通過Lely法能生長出大塊的碳化矽單晶。人造莫桑石的寶石就是通過切割由Lely法製備的大塊碳化矽單晶來獲得的。

功率電子元件

碳化矽是目前正在研究的半導體,已在快速切換、高溫及高電壓的應用上,進行前期的大量生產。第一個可用的元件是肖特基二極體、之後是結型場效應管及高速切換的功率MOSFET。目前正在開發雙極性電晶體及晶閘管。

碳化矽元件商品化的主要問題是如何去除缺陷:包括邊緣位錯、螺旋位錯(空心和閉合)、三角形缺陷及基面位錯。因此,雖然有許多研究設法要改善特性,但最早期SiC材料的元件,其反向電壓阻隔能力不好。除了晶體品質外,SiC和二氧化矽的界面問題也影響了SiC MOSFETIGBT的發展。滲氮已大幅改善了介面問題,不過其機制還不清楚。

2008年已有第一個商品化的JFET,額定1200V,之後是2011年第一個商品化的MOSFET,額定電壓1200 VSiC的開關以及SiC肖特基二極體(SBD)有常見的TO-247TO-220封裝外,許多廠商也開始將SiC裸晶放在功率模組中。

SiC SBD二極體已用在功因修正電路上,以及IGBT功率模組中。像是國際集成功率電子系統大會(CIPS)等研討會也會定期報告有關SiC功率元件的技術驅勢。

日本部分新造的大功率交傳鐵路車輛,以碳化矽取代IGBT用於牽引變流裝置(如新幹線ALFA-XEMU3000E235系),有助進一步減少車輛耗電。


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