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El carburo de silicio (SiC) se ha utilizado en una variedad de aplicaciones durante más de 100 años. Sin embargo, hoy en día el material semiconductor está ganando más popularidad que nunca, principalmente debido a su uso en aplicaciones industriales.
En este artículo examinaremos por qué el SiC está experimentando un repentino aumento de popularidad, qué lo convierte en un material tan bueno para aplicaciones industriales y algunos de los usos que están impulsando su aceptación.
Sic: una visión general
Si bien el uso de SiC en aplicaciones electrónicas se remonta a principios de 1900, su uso como material semiconductor realmente comenzó a ganar terreno en la década de 1990. Esto es cuando se usó por primera vez en diodos Schottky, FET y MOSFET. Aunque el SiC tiene propiedades que lo hacen único en el manejo de cargas de alta frecuencia, alta potencia y alta temperatura, su adopción ha sido lenta, principalmente debido a problemas de producción.
En la naturaleza, el SiC es una sustancia extremadamente rara, que se encuentra principalmente en restos de meteoritos. Y si bien se puede hacer sintéticamente, los primeros intentos han arrojado resultados contradictorios. Las dislocaciones de los bordes, los defectos triangulares y otros problemas retrasaron la comercialización de SiC como semiconductor y, a pesar de sus muchas aplicaciones potenciales, su uso siguió siendo relativamente raro.
Pero, ¿qué hace que el SiC sea un semiconductor tan eficaz? Como material semiconductor de banda prohibida ancha, tiene una diferencia de energía mayor que otros materiales semiconductores (como el silicio tradicional), lo que le otorga mejores propiedades térmicas y electrónicas. Esto hace que el material sea la estrella en aplicaciones de alto rendimiento, alta temperatura y alta frecuencia. De hecho, en comparación con los semiconductores de silicio, el SiC ofrece una rigidez dieléctrica 10 veces mayor, una banda prohibida de energía 3 veces mayor y una conductividad térmica 3 veces mayor.
Estos beneficios de rendimiento dan como resultado una alta eficiencia general del sistema con mayor densidad de potencia y menores pérdidas del sistema.
Si bien las capacidades de SiC como material semiconductor se conocen desde hace años, los problemas de producción han retrasado la adopción, como se mencionó anteriormente. Hoy, sin embargo, fabricantes como Wolfspeed, Infineon, onsemi y otros han mejorado los procesos de fabricación hasta tal punto que las preocupaciones anteriores sobre la calidad del SiC son en gran medida cosa del pasado. Como resultado, su uso está creciendo rápidamente.
La tormenta perfecta para la adopción de SiC
En este momento, los fabricantes de semiconductores con experiencia en carburo de silicio se encuentran en una posición atractiva. Los procesos de fabricación se han mejorado significativamente, aumentando tanto el rendimiento como la confiabilidad del SiC producido sintéticamente. Al mismo tiempo, las aplicaciones en las que los requisitos de rendimiento requieren un material como el SiC están aumentando rápidamente. El resultado es un mercado donde los dispositivos basados en SiC están creciendo en popularidad a un ritmo increíble.
Examinemos algunas de las industrias en las que SiC se está afianzando.
uso de vehículos eléctricos
Uno de los mercados de mayor crecimiento para los semiconductores de SiC son los vehículos eléctricos (EV) y los sistemas de carga de EV. En cuanto a los vehículos, el SiC es una opción excelente para accionamientos de motor, no solo en los vehículos eléctricos que circulan por nuestras carreteras, sino también en los trenes eléctricos.
El rendimiento y la confiabilidad de SiC lo convierten en una excelente opción para los sistemas de accionamiento por motor y, debido a su alta relación potencia-tamaño, así como al hecho de que los sistemas basados en SiC a menudo requieren menos componentes en general, el uso de SiC puede reducir el tamaño y el peso del sistema. reducir: consideraciones clave para la eficiencia de los vehículos eléctricos.
SiC también está encontrando una aplicación cada vez mayor en los sistemas de carga de baterías para vehículos eléctricos. Uno de los mayores obstáculos para la adopción de EV es el tiempo que lleva cargar las baterías, y los fabricantes están buscando formas de reducir el tiempo de carga, y para muchos, la respuesta es SiC. Mediante el uso de dispositivos de alimentación de SiC en soluciones de carga externas, los fabricantes de estaciones de carga de vehículos eléctricos pueden aprovechar la rápida velocidad de conmutación y la alta potencia de salida de SiC para lograr un mejor rendimiento de carga. El resultado es un tiempo de carga hasta 2 veces más rápido.
Centros de datos y sistemas de alimentación ininterrumpida
A medida que más organizaciones se someten a la transformación digital, el papel del centro de datos crece en organizaciones de todos los tamaños e industrias. Estos centros de datos actúan como el sistema nervioso central para datos de misión crítica de todo tipo y son esenciales para operaciones comerciales sostenibles y exitosas, pero eso tiene un precio.
De hecho, la Agencia Internacional de Energía estima que los centros de datos consumen el 1% de toda la electricidad en el mundo, y eso no tiene en cuenta la energía utilizada para la minería de criptomonedas. Uno de los mayores impulsores de este consumo de energía es la electricidad utilizada para enfriar estos centros de datos, que requieren sistemas de aire acondicionado y ventiladores para funcionar las 24 horas del día, los 365 días del año.
Pero imagine si hubiera un material con eficiencia térmica mejorada, con la capacidad de funcionar más frío sin sacrificar el rendimiento. Este material es SiC. Según Wolfspeed, las fuentes de alimentación que utilizan sus productos SiC han tenido mejoras en el rendimiento térmico que ofrecen hasta un 40 % de ahorro en costos de energía de refrigeración. Además, los centros de datos que utilizan componentes de SiC pueden acomodar más dispositivos en menos espacio con una densidad de potencia mejorada.
Otro componente de estos centros de datos son las fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), que ayudan a garantizar que los sistemas permanezcan operativos incluso durante cortes de energía. SiC ha encontrado un hogar en los diseños de UPS debido a su confiabilidad, eficiencia y capacidad para brindar energía limpia con bajas pérdidas. Cuando un UPS toma energía de CC y la convierte en energía de CA, hay pérdidas, pérdidas que acortan el tiempo que un UPS proporciona energía de respaldo. SiC ayuda a reducir estas pérdidas y aumenta la capacidad del SAI. Con mayor densidad de potencia, los sistemas UPS también pueden ofrecer mayor potencia sin ocupar más espacio, un factor clave cuando las limitaciones de espacio son una preocupación.
SiC para hoy y mañana
Con la creciente demanda de vehículos eléctricos tanto a nivel de consumidores como municipales, así como una creciente necesidad de centros de datos para respaldar las grandes cantidades de datos que genera IoT, software y otras operaciones de uso intensivo de datos, SiC es sin duda un semiconductor del futuro. .
A medida que más fabricantes amplían sus ofertas de SiC, los procesos de producción continúan mejorando y los costos disminuyen. A medida que aumentan las aplicaciones, el SiC seguirá siendo una parte importante del diseño de semiconductores en los años venideros.
