¿Qué es un Diodo SIC?
Los diodos SIC son uno de los elementos básicos de los semiconductores compuestos de silicio (Si) y carbono (C).
En comparación con el Si (silicio), los SIC tienen aproximadamente 10 veces la resistencia a la ruptura dieléctrica y tres veces la separación de bandas, lo que permite crear elementos de circuito eléctrico más pequeños con mayor tensión de ruptura.
Los diodos SIC son un ejemplo típico de semiconductores de potencia SIC, que se fabrican como productos discretos (independientes) o incorporados a módulos para su uso en inversores, convertidores, IGBT, etc.
Los diodos barrera Schottky (SIC), en particular, han atraído la atención en los últimos años porque permiten un funcionamiento de conmutación compacto, de alta tensión y alta eficiencia con baja tensión directa.
Por otro lado, se dice que las obleas SIC son más difíciles de cultivar que las obleas de Si, y también es más difícil procesar los SIC para fabricar elementos semiconductores en comparación con el Si. Por este motivo, no se espera que los diodos SIC sustituyan a todos los diodos de Si, sino que amplíen su campo de aplicación y se utilicen de distintas formas según la aplicación.
Aplicaciones de los Diodos SIC
Los diodos SIC se utilizan activamente en los inversores de los vehículos eléctricos. El uso de los diodos SIC en los inversores de los vehículos eléctricos les permite funcionar más con menos consumo de energía.
Además, los trenes consumen menos energía, lo que se traduce en un ahorro en los costes de electricidad: aunque el coste inicial de la instalación de equipos que utilizan diodos SIC es más elevado, es más fácil conseguir reducciones en los costes de explotación.
La ventaja de los dispositivos de potencia que utilizan diodos SIC es que son compactos y ligeros, pueden manejar tensiones y corrientes elevadas y tienen poca pérdida de eficacia incluso cuando funcionan a altas frecuencias. A medida que se abarate el precio de los diodos SIC, se prevé su introducción en el futuro, empezando por dispositivos de alto consumo.
Al igual que los SIC, los semiconductores fabricados con nitruro de galio (GaN) también están atrayendo la atención como nueva generación de dispositivos de potencia; el SiC y el GaN se utilizan generalmente en equipos que requieren mayor tensión y potencia, mientras que el GaN se emplea en equipos que funcionan a frecuencias más altas.
Principio de los Diodos SIC
Los diodos SIC pueden soportar tensiones y corrientes más elevadas y temperaturas de funcionamiento más altas que los diodos de Si convencionales. Esto se debe a que las propiedades físicas de la oblea base SIC son superiores a las de las obleas de Si.
En concreto, los SIC tienen una mayor separación de bandas, intensidad de campo de ruptura dieléctrica y conductividad térmica en comparación con el Si.
La separación de banda es de 3,26 (eV) para el SiC en comparación con 1,12 (eV) para el Si, la intensidad del campo de ruptura es de 2,5 (MV/cm) para el SIC en comparación con 0,3 (MV/cm) para el Si, y la conductividad térmica es de 4,9 (W/(cm-K)) para el SIC en comparación con 1,5 (W/(cm-K)) para el Si. La oblea SIC muestra valores superiores.
Existen varios tipos de estructuras cristalinas de obleas SIC, pero las que tienen una estructura conocida como 4H-SiC presentan características superiores como dispositivos de potencia, y los valores anteriores también corresponden a éstas.
Tipos de Diodos SIC
Existen distintos tipos de diodos SIC, como los diodos de barrera Schottky de SiC y los diodos de unión SICpn. La estructura básica es la misma que la de los diodos Si, pero los diodos SIC son más pequeños si manejan la misma magnitud de tensión y corriente.
1. Diodo de Barrera Schottky SIC
La estructura tiene forma de conexión Schottky metálica con el SIC. El mecanismo es tal que la corriente se genera por el movimiento de los electrones. Este diodo se caracteriza por su alta velocidad y su alta tensión de ruptura.
Los diodos de Si convencionales también son superiores sólo en términos de velocidad, pero los diodos de barrera Schottky SIC son superiores porque tienen una tensión de ruptura aproximadamente 10 veces superior a la del Si.
2. Diodos de Unión SICpn
La estructura utiliza una unión pn, que se caracteriza por una mayor tensión de ruptura y una menor resistencia que los diodos de barrera Schottky SIC. Esto se debe a la acumulación de huecos como portadores minoritarios en la capa de tipo n.