Silicon carbide (SiC), là vật liệu cốt lõi của chất bán dẫn thế hệ thứ ba, đang thay đổi sâu sắc nhiều lĩnh vực nhờ các đặc tính vật lý và điện tuyệt vời của nó. Bảng sau đây tóm tắt các ứng dụng chính và ưu điểm của SiC để bạn có cái nhìn tổng quan nhanh chóng:
Lĩnh vực ứng dụng Kịch bản ứng dụng chính Ưu điểm của Silicon Carbide (SiC) Công nghệ/Ví dụ về sản phẩm liên quan
Xe năng lượng mới Bộ biến tần truyền động chính, Bộ sạc trên bo mạch (OBC), Bộ chuyển đổi DC-DC Cải thiện hiệu suất, tăng phạm vi lái xe (được báo cáo là lên đến 6% 8) và giảm trọng lượng và thể tích của hệ thống Mô-đun SiC lai1, MOSFET SiC
Cơ sở hạ tầng sạc Trạm sạc nhanh DC Cải thiện hiệu suất sạc, hỗ trợ sạc nhanh công suất cao và giảm thời gian sạc
Phát điện quang điện và Lưu trữ năng lượng Bộ biến tần PV, Bộ chuyển đổi lưu trữ điện (PCS) Cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang điện (được báo cáo là điốt SiC có thể tăng từ 1,5% đến 2% so với các hệ thống dựa trên silicon6), giảm tổn thất hệ thống và tăng mật độ công suất Điốt SiC6, MOSFET SiC
Bộ nguồn công nghiệp và trung tâm dữ liệu Bộ nguồn máy chủ, Bộ nguồn viễn thông, Bộ nguồn liên tục (UPS) Cải thiện hiệu suất điện năng, tăng mật độ công suất và giảm mức tiêu thụ năng lượng cũng như yêu cầu tản nhiệt MOSFET SiC 650V của Toshiba
Thiết bị truyền thông và RF 5G Công suất RF bộ khuếch đại, bộ lọc, v.v. Thiết bị bán dẫn RF dựa trên silicon carbide bán cách điện có hiệu suất tần số cao, nhiệt độ cao và công suất cao tuyệt vời.
Thiết bị đeo thông minh và ống dẫn sóng quang học/AR: Ống dẫn sóng nhiễu xạ cho kính AR và thấu kính siêu mỏng. Chỉ số khúc xạ cao, độ cứng cao và độ dẫn nhiệt cao cho phép trường nhìn rộng, hình ảnh đầy đủ màu sắc, loại bỏ hiện tượng nhiễu quang học, góp phần làm mỏng và nhẹ thiết bị (ví dụ: thấu kính AR mỏng 0,55mm) và giảm chi phí (chi phí vật liệu nền dự kiến sẽ giảm đáng kể trong tương lai). Vật liệu nền bán cách điện có độ tinh khiết cao được làm từ thỏi silicon carbide 12 inch và ống dẫn sóng nhiễu xạ silicon carbide siêu mỏng.
Vận tải đường sắt và Lưới điện thông minh: Bộ chuyển đổi lực kéo, máy biến áp điện tử công suất (PET) và truyền tải điện một chiều cao áp. Điện áp chịu đựng cao và tổn thất thấp giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Các loại thiết bị Silicon Carbide chính
Silicon carbide chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn để sản xuất các thiết bị sau, là nền tảng cho các ứng dụng đã đề cập ở trên:
MOSFET Silicon Carbide (Transistor hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại): Đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng tần số cao, điện áp cao và hiệu suất cao, chẳng hạn như bộ biến tần chính của xe năng lượng mới. Công nghệ hiện tại cho phép điện trở đóng thấp (ví dụ, nền tảng MOS SiC thế hệ thứ ba của Yangjie Technology tự hào có điện trở đóng dưới 3,33mΩ.cm²³) và hoạt động ở nhiệt độ cao (ví dụ, dòng CoolSiC™ MOSFET G2 của Infineon có thể hoạt động ở nhiệt độ bình thường 175°C và 200°C trong điều kiện quá tải).
Điốt silicon carbide (chủ yếu là điốt chắn Schottky (SBD)): Hầu như không có dòng điện phục hồi ngược, chúng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng chuyển mạch tần số cao, chẳng hạn như bộ biến tần quang điện và bộ sạc trên bo mạch, giúp giảm đáng kể tổn thất khi chuyển mạch.
Mô-đun silicon carbide: Nhiều chip silicon carbide (như MOSFET và diode) được tích hợp và đóng gói để tạo thành một mô-đun nguồn. Ví dụ, mô-đun truyền động chính cho xe năng lượng mới (NEV) mang lại những lợi thế như mật độ công suất cao hơn và độ tin cậy được cải thiện.
🔧 Ưu điểm cốt lõi của Silicon Carbide
Khả năng tạo ra những cuộc cách mạng này của silicon carbide bắt nguồn từ những đặc tính vật liệu đặc biệt của nó:
Cường độ điện trường đánh thủng cao: Điều này cho phép các thiết bị silicon carbide hoạt động ở điện áp cao hơn, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng điện áp cao.
Độ dẫn nhiệt cao: Giúp tản nhiệt tốt hơn, cho phép thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao hơn và đơn giản hóa hệ thống làm mát.
Tốc độ trôi bão hòa electron cao: Cho phép các thiết bị SiC hoạt động ở tần số cao hơn, do đó làm giảm kích thước và trọng lượng của các thành phần thụ động (như cuộn cảm và tụ điện) trong hệ thống.
Khoảng cách băng thông rộng: Cung cấp cho các thiết bị SiC khả năng ổn định nhiệt độ cao và khả năng chống bức xạ tuyệt vời.
🌐 Tình hình phát triển hiện tại của ngành SiC
Ngành công nghiệp SiC đang trải qua giai đoạn tăng trưởng và mở rộng nhanh chóng:
Tăng trưởng thị trường liên tục: Thị trường thiết bị điện SiC dự kiến sẽ vượt quá 10,3 tỷ đô la Mỹ vào năm 2030, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) vượt quá 20% trong năm năm tới.
Nâng cấp công nghệ: Kích thước wafer đang chuyển từ kích thước phổ biến 6 inch sang 8 inch (có thể giảm chi phí đơn vị hơn 30%) và wafer 12 inch.
Cải thiện dần chuỗi công nghiệp: Các công ty trong nước đang tích cực phát triển và đạt được tiến bộ trong lĩnh vực chất nền, epitaxy, thiết kế thiết bị, sản xuất và đóng gói mô-đun.
Xu hướng chi phí: Với những cải tiến về chất lượng vật liệu, kích thước wafer lớn hơn, quy trình sản xuất tiên tiến và quy mô công nghiệp mở rộng, chi phí của các thiết bị silicon carbide đang dần giảm xuống, mở đường cho ứng dụng quy mô lớn trong nhiều lĩnh vực hơn.
💎 Tóm tắt
Với các đặc tính vật lý và điện vượt trội, chất bán dẫn silicon carbide đang trở thành động lực chính cho sự đổi mới và nâng cấp trong các lĩnh vực xe năng lượng mới, năng lượng tái tạo, nguồn điện công nghiệp, truyền thông 5G và điện tử tiêu dùng. Mặc dù chi phí sản xuất hiện tại của các thiết bị silicon carbide (đặc biệt là MOSFET) tương đối cao và các yêu cầu quy trình khắt khe, nhưng với những tiến bộ công nghệ liên tục, sự phát triển không ngừng của ngành và sự mở rộng không ngừng, chi phí dự kiến sẽ tiếp tục giảm và triển vọng ứng dụng của chúng rất hứa hẹn.