El carburo de silicio (SiC), material fundamental de los semiconductores de tercera generación, está revolucionando profundamente diversos campos gracias a sus excelentes propiedades físicas y eléctricas. La siguiente tabla resume sus principales aplicaciones y ventajas para una rápida visión general:
Áreas de aplicación Principales escenarios de aplicación Ventajas del carburo de silicio (SiC) Tecnología relacionada/ejemplos de productos
Vehículos de nueva energía Inversor de accionamiento principal, cargador de a bordo (OBC), convertidor CC-CC Mejora la eficiencia, aumenta la autonomía (según se informa, hasta un 6 % 8) y reduce el peso y el volumen del sistema Módulos híbridos de SiC1, MOSFET de SiC
Infraestructura de carga Estaciones de carga rápida de CC Mejoran la eficiencia de carga, admiten carga rápida de alta potencia y reducen el tiempo de carga
Generación de energía fotovoltaica y almacenamiento de energía Inversores fotovoltaicos, convertidores de almacenamiento de energía (PCS) Mejoran la eficiencia de conversión fotoeléctrica (según se informa, los diodos de SiC pueden aumentar entre un 1,5 % y un 2 % en comparación con los sistemas basados en silicio 6), reducen las pérdidas del sistema y aumentan la densidad de potencia Diodos de SiC6, MOSFET de SiC
Fuentes de alimentación industriales y centros de datos Fuentes de alimentación para servidores, fuentes de alimentación para telecomunicaciones, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) Mejoran la eficiencia energética, aumentan la densidad de potencia y reducen el consumo de energía y los requisitos de disipación de calor SiC de 650 V de Toshiba Comunicaciones MOSFET
5G y dispositivos RF Amplificadores de potencia RF, filtros, etc. Dispositivos semiconductores RF basados en carburo de silicio semiaislantes con excelente rendimiento de alta frecuencia, alta temperatura y alta potencia.
Dispositivos inteligentes portátiles y guías de ondas ópticas/de RA: Guías de ondas difractivas para gafas de RA y lentes ultrafinas. Su alto índice de refracción, dureza y conductividad térmica permiten amplios campos de visión, imágenes a todo color, eliminan artefactos ópticos y contribuyen al adelgazamiento y la reducción de peso de los dispositivos (p. ej., lentes de RA de 0,55 mm de grosor) y a la reducción de costes (se prevé una reducción significativa de los costes de los sustratos en el futuro). Sustratos semiaislantes de alta pureza fabricados con lingotes de carburo de silicio de 30 cm y guías de ondas difractivas de carburo de silicio ultrafinas.
Tránsito ferroviario y red eléctrica inteligente: Convertidores de tracción, transformadores electrónicos de potencia (PET) y transmisión de corriente continua de alta tensión. La alta tensión no disruptiva y las bajas pérdidas mejoran la eficiencia y la fiabilidad del sistema.
Principales tipos de dispositivos de carburo de silicio
El carburo de silicio se utiliza principalmente en la industria de semiconductores para fabricar los siguientes dispositivos, que son la base de las aplicaciones mencionadas anteriormente:
MOSFET de carburo de silicio (transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico): Especialmente adecuados para aplicaciones de alta frecuencia, alto voltaje y alta eficiencia, como el inversor principal de vehículos de nueva energía. La tecnología actual permite una baja resistencia de encendido (por ejemplo, la plataforma MOS de SiC de tercera generación de Yangjie Technology presenta una resistencia de encendido inferior a 3,33 mΩ.cm²³) y un funcionamiento a alta temperatura (por ejemplo, la serie MOSFET CoolSiC™ G2 de Infineon puede funcionar a 175 °C en condiciones normales y a 200 °C en condiciones de sobrecarga).
Diodos de carburo de silicio (principalmente diodos de barrera Schottky (SBD)): prácticamente no tienen corriente de recuperación inversa, por lo que son especialmente adecuados para aplicaciones de conmutación de alta frecuencia, como inversores fotovoltaicos y cargadores integrados, lo que reduce significativamente las pérdidas de conmutación.
Módulos de carburo de silicio: Múltiples chips de carburo de silicio (como MOSFET y diodos) se integran y encapsulan para formar un módulo de potencia. Por ejemplo, el módulo de accionamiento principal de los vehículos de nuevas energías (NEV) ofrece ventajas como una mayor densidad de potencia y una mayor fiabilidad.
Ventajas principales del carburo de silicio
La capacidad del carburo de silicio para generar estas revoluciones se debe a sus excepcionales propiedades materiales:
Alta intensidad de campo de ruptura: esto permite que los dispositivos de carburo de silicio funcionen a voltajes más altos, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alto voltaje.
Alta conductividad térmica: facilita la disipación del calor, permitiendo que los dispositivos funcionen a temperaturas más altas y simplificando los sistemas de enfriamiento.
Alta velocidad de deriva de saturación de electrones: permite que los dispositivos de SiC funcionen a frecuencias más altas, reduciendo así el tamaño y el peso de los componentes pasivos (como inductores y condensadores) en el sistema.
Banda ancha: proporciona a los dispositivos SiC una excelente estabilidad a altas temperaturas y resistencia a la radiación.
🌐 Estado actual de desarrollo de la industria del SiC
La industria del SiC está experimentando un rápido crecimiento y expansión:
Crecimiento continuo del mercado: Se espera que el mercado de dispositivos de energía de SiC supere los US$10.300 millones para 2030, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) superior al 20 % durante los próximos cinco años.
Actualizaciones tecnológicas: El tamaño de las obleas está pasando del tamaño habitual de 6 pulgadas a 8 pulgadas (lo que puede reducir los costos unitarios en más del 30 %) y a obleas de 12 pulgadas.
Mejorando gradualmente la cadena industrial: las empresas nacionales están desarrollando y progresando activamente en sustratos, epitaxia, diseño de dispositivos, fabricación y empaquetado de módulos.
Tendencias de costos: con mejoras en la calidad del material, tamaños de obleas más grandes, procesos de fabricación mejorados y una escala industrial en expansión, el costo de los dispositivos de carburo de silicio está disminuyendo gradualmente, allanando el camino para la aplicación a gran escala en una gama más amplia de campos.
💎 Resumen
Gracias a sus propiedades físicas y eléctricas superiores, los semiconductores de carburo de silicio se están convirtiendo en un motor clave de la innovación y las mejoras en vehículos de nueva energía, energías renovables, fuentes de alimentación industriales, comunicaciones 5G y electrónica de consumo. Si bien el coste actual de fabricación de los dispositivos de carburo de silicio (especialmente los MOSFET) es relativamente alto y los requisitos de proceso son rigurosos, con los continuos avances tecnológicos, el desarrollo continuo de la industria y la continua expansión, se prevé que los costes sigan bajando, y sus perspectivas de aplicación son prometedoras.