O carboneto de silício (SiC), como material central dos semicondutores de terceira geração, está a alterar profundamente diversos campos devido às suas excelentes propriedades físicas e elétricas. A tabela seguinte resume as suas principais aplicações e vantagens para uma rápida visão geral:
Áreas de aplicação Principais cenários de aplicação Vantagens do carboneto de silício (SiC) Exemplos de tecnologia/produto relacionados
Novos veículos de energia Inversor de acionamento principal, carregador de bordo (OBC), conversor CC-CC Melhora a eficiência, aumenta a autonomia de direção (supostamente até 6% 8) e reduz o peso e o volume do sistema Módulos de SiC híbridos1, MOSFETs de SiC
Infraestrutura de carregamento Estações de carregamento rápido CC Melhora a eficiência de carregamento, suporta carregamento rápido de alta potência e reduz o tempo de carregamento
Geração de energia fotovoltaica e armazenamento de energia Inversores fotovoltaicos, conversores de armazenamento de energia (PCS) Melhora a eficiência da conversão fotoelétrica (supostamente os díodos de SiC podem aumentar de 1,5% a 2% em comparação com os sistemas baseados em silício 6), reduz as perdas do sistema e aumenta a densidade de potência Diodos de SiC6, MOSFETs de SiC
Fontes de alimentação industriais e data centers Fontes de alimentação de servidores, fontes de alimentação de telecomunicações, fontes de alimentação ininterruptas (UPS) Melhora a eficiência energética, aumenta a densidade de energia e reduz o consumo de energia e os requisitos de dissipação de calor SiC de 650 V da Toshiba Comunicações MOSFET
5G e dispositivos de RF Amplificadores de potência de RF, filtros, etc. Dispositivos semicondutores de RF baseados em carboneto de silício semi-isolantes com excelente desempenho de alta frequência, alta temperatura e alta potência.
Dispositivos Vestíveis Inteligentes e Guias de Onda Ópticos/RA: Guias de onda difrativos para óculos de RA e lentes ultrafinas. O elevado índice de refração, a elevada dureza e a elevada condutividade térmica permitem amplos campos de visão, imagens a cores, eliminam artefactos óticos e contribuem para o adelgaçamento e peso leve dos dispositivos (por exemplo, lentes de RA com 0,55 mm de espessura) e para a redução de custos (espera-se que os custos dos substratos desçam significativamente no futuro). Substratos semi-isolantes de alta pureza feitos de lingotes de carboneto de silício de 12 polegadas e guias de onda difrativos de carboneto de silício ultrafinos.
Transporte ferroviário e rede inteligente: conversores de tração, transformadores eletrónicos de potência (PET) e transmissão de corrente contínua de alta tensão. A alta tensão suportável e as baixas perdas melhoram a eficiência e a fiabilidade do sistema.
Principais tipos de dispositivos de carboneto de silício
O carboneto de silício é utilizado principalmente na indústria de semicondutores para fabricar os seguintes dispositivos, que são a base para as aplicações acima mencionadas:
MOSFETs de Carboneto de Silício (Transistores de Efeito de Campo Semicondutores de Óxido Metálico): Particularmente adequados para aplicações de alta frequência, alta tensão e alta eficiência, como o inversor principal de veículos de nova geração. A tecnologia atual permite uma baixa resistência (por exemplo, a plataforma SiC MOS de terceira geração da Yangjie Technology apresenta uma resistência abaixo dos 3,33 mΩ.cm²³) e um funcionamento a alta temperatura (por exemplo, a série CoolSiC™ MOSFET G2 da Infineon pode operar a 175 °C normalmente e a 200 °C em condições de sobrecarga).
Diodos de carboneto de silício (principalmente díodos de barreira Schottky (SBDs)): praticamente sem corrente de recuperação inversa, são particularmente adequados para aplicações de comutação de alta frequência, como inversores fotovoltaicos e carregadores de bordo, reduzindo significativamente as perdas de comutação.
Módulos de carboneto de silício: Vários chips de carboneto de silício (como MOSFETs e díodos) são integrados e encapsulados para formar um módulo de potência. Por exemplo, o módulo de acionamento principal para veículos de nova energia (NEVs) oferece vantagens como uma maior densidade de potência e uma maior fiabilidade.
🔧 Principais vantagens do carboneto de silício
A capacidade do carboneto de silício provocar estas revoluções advém das suas excepcionais propriedades materiais:
Alta intensidade de campo de rutura: Isto permite que os dispositivos de carboneto de silício operem a tensões mais elevadas, tornando-os adequados para aplicações de alta tensão.
Elevada condutividade térmica: facilita a dissipação de calor, permitindo que os dispositivos operem a temperaturas mais elevadas e simplificando os sistemas de arrefecimento.
Alta velocidade de deriva de saturação de eletrões: permite que os dispositivos de SiC operem a frequências mais elevadas, reduzindo assim o tamanho e o peso dos componentes passivos (como indutores e condensadores) no sistema.
Ampla largura de banda: proporciona aos dispositivos SiC uma excelente estabilidade a altas temperaturas e resistência à radiação.
🌐 Estado atual de desenvolvimento da indústria de SiC
A indústria de SiC está a experimentar um rápido crescimento e expansão:
Crescimento contínuo do mercado: prevê-se que o mercado de dispositivos de energia SiC ultrapasse os 10,3 mil milhões de dólares até 2030, com uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) superior a 20% nos próximos cinco anos.
Atualizações tecnológicas: o tamanho do wafer está a mudar do tamanho convencional de 6 polegadas para 8 polegadas (o que pode reduzir os custos unitários em mais de 30%) e wafers de 12 polegadas.
Melhorar gradualmente a cadeia industrial: as empresas nacionais estão a desenvolver e a progredir ativamente em substratos, epitaxia, design de dispositivos, fabrico e encapsulamento de módulos.
Tendências de custos: Com melhorias na qualidade do material, maiores tamanhos de wafers, processos de fabrico melhorados e expansão da escala industrial, o custo dos dispositivos de carboneto de silício está a diminuir gradualmente, abrindo caminho para aplicações em larga escala numa gama mais ampla de campos.
💎 Resumo
Com as suas propriedades físicas e elétricas superiores, os semicondutores de carboneto de silício estão a tornar-se um importante impulsionador de inovação e atualizações em veículos de nova energia, energia renovável, fontes de alimentação industriais, comunicações 5G e eletrónica de consumo. Embora o custo atual de fabrico de dispositivos de carboneto de silício (especialmente MOSFETs) seja relativamente elevado e os requisitos do processo sejam rigorosos, com os avanços tecnológicos contínuos, o desenvolvimento contínuo da indústria e a expansão contínua, espera-se que os custos baixem ainda mais, e as suas perspetivas de aplicação são promissoras.