کاربید سیلیکون (SiC)، به عنوان ماده اصلی نیمه‌هادی‌های نسل سوم، به دلیل خواص فیزیکی و الکتریکی عالی خود، زمینه‌های مختلفی را عمیقاً تغییر می‌دهد. جدول زیر کاربردها و مزایای اصلی آن را برای یک مرور سریع خلاصه می‌کند:
زمینه‌های کاربرد سناریوهای اصلی کاربرد مزایای سیلیکون کاربید (SiC) نمونه‌های مرتبط با فناوری/محصول
خودروهای انرژی جدید اینورتر درایو اصلی، شارژر داخلی (OBC)، مبدل DC-DC بهبود راندمان، افزایش برد رانندگی (طبق گزارش‌ها تا 6٪ 8) و کاهش وزن و حجم سیستم ماژول‌های هیبریدی SiC1، MOSFETهای SiC
زیرساخت شارژ ایستگاه‌های شارژ سریع DC بهبود راندمان شارژ، پشتیبانی از شارژ سریع با توان بالا و کاهش زمان شارژ
تولید توان فتوولتائیک و ذخیره انرژی اینورترهای PV، مبدل‌های ذخیره توان (PCS) بهبود راندمان تبدیل فوتوالکتریک (طبق گزارش‌ها دیودهای SiC می‌توانند 1.5٪ تا 2٪ در مقایسه با سیستم‌های مبتنی بر سیلیکون افزایش یابند)، کاهش تلفات سیستم و افزایش چگالی توان دیودهای SiC6، MOSFETهای SiC
منابع تغذیه صنعتی و مراکز داده منابع تغذیه سرور، منابع تغذیه مخابراتی، منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) بهبود راندمان توان، افزایش چگالی توان و کاهش مصرف انرژی و الزامات اتلاف گرما دستگاه‌های ارتباطی و RF 5G با ماسفت SiC 650 ولتی توشیبا
، تقویت‌کننده‌های توان RF، فیلترها و غیره. دستگاه‌های نیمه‌هادی RF نیمه عایق مبتنی بر کاربید سیلیکون با عملکرد عالی در فرکانس بالا، دمای بالا و توان بالا.
پوشیدنی‌های هوشمند و موجبرهای نوری/واقعیت افزوده: موجبرهای پراش برای عینک‌های واقعیت افزوده و لنزهای بسیار نازک. ضریب شکست بالا، سختی بالا و رسانایی حرارتی بالا، میدان دید وسیع، تصویربرداری تمام رنگی، حذف مصنوعات نوری را ممکن می‌سازند و به نازک و سبک شدن دستگاه (مثلاً لنزهای واقعیت افزوده با ضخامت 0.55 میلی‌متر) و کاهش هزینه (انتظار می‌رود هزینه‌های زیرلایه در آینده به طور قابل توجهی کاهش یابد) کمک می‌کنند. زیرلایه‌های نیمه عایق با خلوص بالا که از شمش‌های کاربید سیلیکون 12 اینچی و موجبرهای پراش کاربید سیلیکون بسیار نازک ساخته شده‌اند.
حمل و نقل ریلی و شبکه هوشمند: مبدل‌های کششی، ترانسفورماتورهای الکترونیک قدرت (PET) و انتقال جریان مستقیم ولتاژ بالا. ولتاژ با مقاومت بالا و تلفات کم، کارایی و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود می‌بخشد.
انواع اصلی دستگاه‌های کاربید سیلیکون
کاربید سیلیکون عمدتاً در صنعت نیمه‌هادی برای ساخت دستگاه‌های زیر استفاده می‌شود که پایه و اساس کاربردهای فوق‌الذکر هستند:
ماسفت‌های سیلیکون کاربید (ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه‌رسانای اکسید فلزی): به ویژه برای کاربردهای فرکانس بالا، ولتاژ بالا و راندمان بالا، مانند اینورتر اصلی وسایل نقلیه با انرژی جدید، مناسب هستند. فناوری فعلی، مقاومت روشن بودن کم (به عنوان مثال، پلتفرم SiC MOS نسل سوم Yangjie Technology دارای مقاومت روشن بودن کمتر از 3.33mΩ.cm²³ است) و عملکرد در دمای بالا (به عنوان مثال، سری CoolSiC™ MOSFET G2 Infineon می‌تواند در دمای 175 درجه سانتیگراد به طور معمول و 200 درجه سانتیگراد در شرایط اضافه بار کار کند) را امکان‌پذیر کرده است.
دیودهای سیلیکون کاربید (عمدتاً دیودهای مانع شاتکی (SBD)): این دیودها که عملاً هیچ جریان بازیابی معکوسی ندارند، به ویژه برای کاربردهای سوئیچینگ فرکانس بالا، مانند اینورترهای فتوولتائیک و شارژرهای داخلی، بسیار مناسب هستند و تلفات سوئیچینگ را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند.
ماژول‌های سیلیکون کاربید: چندین تراشه سیلیکون کاربید (مانند MOSFETها و دیودها) برای تشکیل یک ماژول قدرت، یکپارچه و بسته‌بندی می‌شوند. به عنوان مثال، ماژول درایو اصلی برای وسایل نقلیه انرژی جدید (NEVها) مزایایی مانند چگالی توان بالاتر و قابلیت اطمینان بهبود یافته را ارائه می‌دهد.
🔧 مزایای اصلی سیلیکون کاربید
توانایی کاربید سیلیکون در ایجاد این انقلاب‌ها از خواص استثنایی آن ناشی می‌شود:
قدرت میدان شکست بالا: این امر به دستگاه‌های کاربید سیلیکون اجازه می‌دهد تا در ولتاژهای بالاتر کار کنند و آنها را برای کاربردهای ولتاژ بالا مناسب می‌سازد.
رسانایی حرارتی بالا: اتلاف گرما را تسهیل می‌کند و به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد در دماهای بالاتر کار کنند و سیستم‌های خنک‌کننده را ساده‌تر می‌کند.
سرعت رانش اشباع الکترونی بالا: قطعات SiC را قادر می‌سازد تا در فرکانس‌های بالاتر کار کنند و در نتیجه اندازه و وزن اجزای غیرفعال (مانند سلف‌ها و خازن‌ها) در سیستم کاهش می‌یابد.
شکاف باند وسیع: به قطعات SiC پایداری عالی در دمای بالا و مقاومت در برابر تابش می‌دهد.
🌐 وضعیت توسعه فعلی صنعت SiC
صنعت SiC رشد و گسترش سریعی را تجربه می‌کند:
رشد مداوم بازار: انتظار می‌رود بازار دستگاه‌های قدرت SiC تا سال 2030 از 10.3 میلیارد دلار آمریکا فراتر رود و نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) در پنج سال آینده بیش از 20 درصد باشد.
ارتقاء فناوری: اندازه ویفر از ۶ اینچ رایج به ۸ اینچ (که می‌تواند هزینه‌های واحد را بیش از ۳۰٪ کاهش دهد) و ویفرهای ۱۲ اینچی در حال تغییر است.
بهبود تدریجی زنجیره صنعتی: شرکت‌های داخلی به‌طور فعال در حال توسعه و پیشرفت در زمینه‌های زیرلایه‌ها، اپیتاکسی، طراحی دستگاه، ساخت و بسته‌بندی ماژول هستند.
روند هزینه‌ها: با بهبود کیفیت مواد، اندازه ویفر بزرگتر، فرآیندهای تولید پیشرفته و گسترش مقیاس صنعت، هزینه دستگاه‌های کاربید سیلیکون به تدریج در حال کاهش است و راه را برای کاربرد در مقیاس بزرگ در طیف وسیع‌تری از زمینه‌ها هموار می‌کند.
💎 خلاصه
نیمه‌هادی‌های کاربید سیلیکون با خواص فیزیکی و الکتریکی برتر خود، به محرک اصلی نوآوری و ارتقاء در وسایل نقلیه با انرژی جدید، انرژی‌های تجدیدپذیر، منابع تغذیه صنعتی، ارتباطات 5G و لوازم الکترونیکی مصرفی تبدیل می‌شوند. اگرچه هزینه تولید فعلی دستگاه‌های کاربید سیلیکون (به ویژه MOSFET) نسبتاً بالا است و الزامات فرآیند سختگیرانه است، اما با پیشرفت‌های مداوم فناوری، توسعه مداوم صنعت و گسترش مداوم، انتظار می‌رود هزینه‌ها بیشتر کاهش یابد و چشم‌انداز کاربرد آنها امیدوارکننده است.