Thứ Ba, 14 tháng 3, 2023

Carborunđum [silic carbide] cuộc cách mạng điện tử nguồn điện

năm 2018 Tesla đảo ngược mọi định kiến và gây rúng động ngành công nghiệp xe điện nhờ phổ cập công nghệ biến tần sử dụng silic carbide vi điện tử lên xe điện mẫu 3 mới
Biến tần cho phép Tesla thu nhỏ một trong những linh kiện thiết yếu nhất của xe điện còn một nửa và nhem nhóm lại một tiềm năng cũ trong công nghệ silic
Bài viết này sẽ nhìn vào lợi thế của điện tử sử dụng silic carbide

Silic carbide
SiC tồn tại trong thiên thạch nhưng không có ở trong tự nhiên và do đó phần lớn SiC có được nhờ tổng hợp nhân tạo
Năm 1890 Edward Goodrich Acheson là một trợ lý của Thomas Edison, lần đầu ra mắt sản phẩm số lượng công nghiệp nhằm mục đích nhân tạo kim cương, Edward nung nóng đá silica với than cốc lên nhiệt độ 2600 độ C trong một lò nung điện tạo nên hạt thô silic carbide
Phương pháp ấy ngày nay vẫn được dùng, gọi tên là phương pháp Acheson
Tạo nên bởi phần silic và carbon ngang bằng nhau, có hơn 200 phiên bản mẫu đá, vẫn chưa rõ lý do tại sao có nhiều dạng mẫu đến thế nhưng chúng đều có đặc điểm vật lý riêng biệt và chỉ có 3 dạng mẫu có thể dùng cho các thiết bị điện tử là 3c 4h và 6h
đĩa wafer 3c chưa sẵn cho thương mại do bất ổn ở nhiệt độ cao
trong khi phiên bản 6h vẫn đang trong nghiên cứu, hầu hết nghiên cứu thương mại đều tập trung vào 4h
silic carbide là hoá chất tổng hợp cứng nhất mà con người biết đến trước khi boron carbide được tổng hợp nên năm 1929
trong công nghiệp, người ta dùng silic carbide làm áo giáp chống đạn, để tán nghiền vật liệu khác và làm vật liệu nhám để mài mòn cho giấy nhám
trong điện tử, silic carbide có một đặc tính cho phép các bóng bán dẫn hoạt động được ở cả điện áp, tần số và nhiệt độ cao hơn so với silic

Khe vùng rộng
silic carbide cùng với những vật liệu khác như kim cương nhân tạo và gallium nitride được biết là vật liệu có khe vùng [năng lượng] rộng
nghĩa là: chất bán dẫn có một vùng hoá trị và một vùng dẫn điện – một khi các electron nhận nhiều năng lượng, bị kích thích, ví dụ như từ một liều nhiệt năng lớn, chúng [electron] nhảy sang vùng dẫn điện và trở thành những “điệp viên” có khả năng mang theo điện tích đi nơi khác
chưa hết một khi các electron nhảy khỏi vùng hoá trị, chúng bỏ lại những lỗ trống mang điện tích dương và chúng [lỗ trống] cũng là những vật mang điện tích có thể gây dẫn điện
bóng bán dẫn hoạt động nhờ khả năng bật tắt dẫn điện, một khi electron ở vùng dẫn điện thì bóng bẫn dẫn không thể tắt đi. Khe vùng thể hiện lượng năng lượng cần cho các electron nhảy từ vùng hoá trị sang vùng dẫn điện, vùng đệm giữa bị kiểm soát và ngoài tầm kiểm soát
silic carbide không những có khe vùng rất rộng mà còn là một chất dẫn nhiệt tốt hơn gấp 3 lần silic và chỉ đứng sau kim cương
khả năng dẫn nhiệt giúp silic carbide dễ trích xuất và thoát nhiệt
bán dẫn silic thương mại đạt giới hạn 175 độ C để không nhảy khỏi khe vùng, trong khi silic carbide có thể chịu được 300 độ C hoặc hơn nữa, có thể lên 900 độ C nếu được đóng gói thích hợp
khe vùng rộng có ứng dụng không chỉ khả năng chống nhiệt, một khi điện áp trong thiết bị điện tăng, điện trường cũng mạnh lên đủ cao sẽ khiến thiết bị gặp hiệu ứng tuyết lở tức là các nguyên tử mất lực và thải ra số lớn những hạt mang điện tự do dẫn đến dòng điện lớn chạy qua vật liệu và gây cả nhiệt độ thoát ra lớn
giới hạn điện trường của silic carbide để hiệu ứng tuyết lở không xảy ra, điện áp cao gấp 8 đến 10 lần silic

Xe điện và bán dẫn nguồn điện
mọi xe điện đều có điện tử nguồn điện, cùng với pin và động cơ kéo điện thì điện tử nguồn điện là một trong 3 kỹ thuật lớn cho phép xe điện sử dụng ngày nay
các hệ thống điện tử nguồn điện cho phép xạc pin và cấp điện động cơ, nhìn chung làm từ 4 cấu kiện và có lẽ quan trọng nhất là bộ biến tần
dòng điện là 2 dạng là xoay chiều và trực tiếp [điện một chiều] và bộ biến tần biến dòng một chiều từ pin xe điện thành điện xoay chiều mà động cơ xe điện sử dụng để vận hành
một mạch điện làm nhiệm vụ ngược lại chuyển từ hai chiều sang đơn chiều gọi tên là mạch chỉnh lưu
ngày nay, nhiều điện tử nguồn điện ấy là silic dựa trên hai thiết bị chuyển đổi điện nổi tiếng nhất là “bóng bán dẫn hai điện tích có cổng cách ly” insulated gate bipolar transistor IGBT và bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn ôxit kim loại nguồn điện MOSFET
MOSFET dùng cho ứng dụng cần điện áp thấp, điện năng thấp và tần số cao, là sản phẩm thống trị thị trường ứng dụng dưới 600 volt
IGBT dùng silic thì cho những ứng dụng điện áp cao, điện năng cao và tần số thấp, khoảng 600 đến 6500 volt
phần lớn các bộ biến tần cho xe điện trước khi mẫu 3 Tesla ra mắt, sử dụng IGBT
tuy nhiên nếu muốn vượt lên giới hạn 6.5 kilo volt thì trường điện bị quá tải cho điện tử nguồn điện silic

Kinh tế
điện tử nguồn điện hiện đại bị thị trường ngày nay gây áp lực, thành công của kỹ thuật lái xe điện thì phụ thuộc lớn vào độ hiệu quả mà điện tử nguồn điện có thể biến áp trong khi giảm được lãng phí
những lãng phí trong công đoạn biến áp sẽ gây phí điện năng thành nhiệt toả vào vật liệu và lãng phí điện năng
chưa kể các mạch điện tử nguồn điện đặt ngay gần tuốc bin phản lực hoặc động cơ xe, những môi trường khắc nghiệt mà nhiệt độ lên đến hơn 225 độ C
giới hạn nhiệt độ cố hữu của silic cho nên những điện tử nguồn điện này phải được thiết kế kèm những hệ thống làm mát chủ động hoặc bị động, những hệ thống như những ống tản nhiệt không khí, làm mát chất lỏng tiếp xúc trực tiếp, đĩa lạnh chất lỏng... không đạt yêu cầu và khiến xe điện trở nên nặng nề mất lợi thế cạnh tranh lại xe xăng
nhờ khe vùng rộng hơn silic nên điện tử nguồn điện sử dụng silic carbide có thể hoạt động ở mức nhiệt độ cao hơn 10 lần, điện áp cao hơn 10 lần và tần số xoay chiều cao hơn 5 lần
như Bane nói: “You were merely adopted the dark. I was born in it, molded by it,I didn't see the light until I was already a man; by then, it was nothing to me but blinding!” giống như silic đem so với silic carbide

Thuyết âm mưu silic carbide
người ta đã thấy được tiềm năng của silic carbide trong lĩnh vực điện tử nguồn điện kể từ khi điện tử nguồn điện ra mắt khách hàng thập niên 1950
tại sao đến giờ mới bán ngoài thị trường?
một số người tin rằng các công ty xe đã dùng một động cơ chạy thuần tuý bằng nước, liệu có 'nhóm lợi ích' điện tử nguồn điện sử dụng silic nào đã âm mưu che giấu silic carbide khỏi thế giới?
đáp án có lẽ khá phèn vì liên quan đến bản thân vật liệu, nhiều điểm mạnh của silic carbide cũng gây yếu điểm, sản xuất những đĩa silic carbide đủ tinh khiết là không dễ

Đĩa silic carbide
những đĩa silic ngày này được chế tạo bằng cách đầu tiên sản xuất một tinh thể silic lớn thông qua phương pháp Czochralski: nuôi trồng một tinh thể lớn bằng cách lặp đi lặp lại nhúng một hạt mầm xuống một silic nung lỏng
quy trình Czochralski cần nung chảy silic nhưng silic carbide thể rắn không nóng chảy mà thăng hoa thành khí và do đó phải dùng cách khác để tăng trưởng tinh thể silic carbide từ khí
trước thập niên 1950 cách duy nhất làm tinh thể silic carbide là phương pháp Atchison đổ silica và than cốc vào lò cao để nung, chỉ đủ yêu cầu làm giấy nhám, không đủ độ tinh khiết cho thiết bị điện tử
năm 1954 Jan Anthony Lily của công ty điện tử Philips tìm ra phương pháp Lily lấy một ống phosphorus than chì và đặt vào giữa đám silic carbide và nung ống lên 2500 độ C để silic carbide sẽ lấn dần vào bên trong ống và tinh thể hoá lên phần nguội hơn của nó [ống]
mới đầu, phương pháp Lily đã tạo được mảnh lục giác kích cỡ ngẫu nhiên nhiều dạng mẫu tinh thể, đã tiến bộ nhưng chưa đủ thích hợp cho đĩa bán dẫn
năm 1978 Tairov và Svetkov hai nhà khoa học Liên Xô chỉnh sửa tiến trình Lily để khắc phục điểm yếu, kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và áp lực, hai người đã thành công tăng trưởng được một tinh thể lớn một dạng mẫu đơn nhất – chỉnh sửa gọi tên là PVT vận chuyển hơi vật lý – giúp người ta có thể tăng trưởng những mẩu một dạng mẫu silic carbide tinh thể với tốc độ vài milimet mỗi giờ
các công ty vẫn đang tìm cách làm những đĩa bán dẫn lớn hơn, 200 milemet, và tỷ lệ lỗi vẫn chưa đạt yêu cầu
làm được đĩa bán dẫn đúng tiêu chuẩn có lẽ là thử thách lớn nhất của tiến trình, nhưng không phải khó khăn duy nhất
silic carbide cho thấy khó khăn nữa cho tiến trình xử lý bán dẫn, ví dụ chỉ có thể cắt đĩa wafer bằng kim cương tổng hợp đắt đỏ, hay ví dụ như silic carbide tinh khiết cách điện nên cần phải dope để dẫn điện nhưng phân tán chất bị dope vào silic carbide thì cần nhiệt độ rất cao...

Điện tử nguồn điện carborunđum SiC
Infineon ra mắt thiết bị nguồn điện sử dụng silic carbide thương mại đầu tiên năm 2001 là một điốt Schottky có nhiều vượt trội hơn phiên bản silic
MOSFET silic carbide là bước thương mại hoá lớn mới đây, thiết bị có tốc độ bật tắt nhanh và thích hợp cho ứng dụng điện áp cao và dòng điện lớn
Năm 2010 chip MOSFET silic carbide lần đầu được Cree công ty trụ sở Bắc Carolina thương mại hoá, công ty Cree tháng 10 năm 2021 đã đổi tên thành Wolfspeed
Những công ty khác góp vui là ST Microelectronics, ROHM, Infineon và Microsemi
Thị trường bộ biến tần xe điện kể từ ấy đã tăng trưởng lên hàng tỷ đôla và các công đoạn sản xuất mới được cải thiện đã giúp hạ giá thành các thiết bị mới, từng tốn 700 đôla mỗi bộ biến tần năm 2013 đã hạ còn 450 đôla năm 2021 nhờ cải thiện trong giá linh kiện bóng bán dẫn và điốt, vẫn còn khoảng cách giá thành với thiết bị silic nhưng thiết kế và triển khai bộ biến tần mới thì không cần nhiều hệ thống tản nhiệt đính kèm, tiết kiệm được không gian và kích cỡ và do đó được kỳ vọng MOSFET silic carbide sẽ thay thế được IGBT silic ở sân thị trường truyền thống này [600-6500 volt] là cơ hội cho silic carbide toả sáng

Kết
Liên Xô và sao kim có nhắc đến kỹ thuật silic carbide giúp xây dựng tàu thăm dò có thể chịu được sức nóng khắc nghiệt của sao kim
Tesla cũng đã áp dụng [silic carbide] vào mẫu xe điện 3 và thị trường xe điện đang tăng trưởng cũng gây chú ý đến phương pháp mới, nhiều ngành công nghiệp khác cũng có lợi ích, ví dụ bộ biến tần năng lượng mặt trời giúp chuyển đổi điện một chiều từ tấm panel quang điện thành điện xoay chiều thì bộ biến tần silic carbide cắt giảm được 20% giá thành so với đối thủ silic
Sản xuất silic carbide trong thực tiễn mới chưa đến vài thập kỷ và người ta vẫn đang khám phá giới hạn của công nghệ này

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét