Λεπτομέρειες Blog

Καρβίδιο Σιλικονίου: Από Αβραστικό Υλικό σε Ημιαγωγούς Νέας Γενιάς

Όταν μιλάμε για καρβίδιο του πυριτίου, το πρώτο πράγμα που μπορεί να έρθει στο μυαλό μας είναι ο γνωστός γρίφτης καρβορινδούμου, ο τύπος που χρησιμοποιείται συχνά για την οξύτητα μαχαίρων κουζίνας.Χάρη στην εξαιρετική αντοχή της στην φθορά, υψηλή σκληρότητα και εξαιρετική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται από καιρό ευρέως σε λειαντικά, εργαλεία άλεσης, ανθεκτικά υλικά και λειτουργική κεραμική.

Στο προηγούμενο άρθρο μας, συζητήσαμε την ιστορία των κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου ως "αγαπητοί πολύτιμοι λίθοι". Σε αυτό το άρθρο, θα επικεντρωθούμε στο καρβιδίο του πυριτίου ως υλικό ημιαγωγών.

Οι ημιαγωγοί είναι βασικά συστατικά σε σχεδόν κάθε ηλεκτρονικό κύκλωμα που συναντάμε.όπως ένα μέταλλο, και μονωτικό, όπως κεραμικό ή πλαστικό.Η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού μπορεί επίσης να αλλάζει ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας του ή τις προσμείξεις που εισάγονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατασκευής.

Ωστόσο, αυστηρά μιλώντας, η ηλεκτρική αγωγιμότητα καθορίζεται από τη δομή της ενεργειακής ζώνης του υλικού.ένας ακριβέστερος ορισμός ενός ημιαγωγού θα πρέπει να βασίζεται στη δομή ζώνης του.

Όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα, οι αγωγοί, οι ημιαγωγοί και οι μονωτές έχουν διαφορετικές δομές ζώνης ενέργειας.ή η διαφορά ενέργειας μεταξύ τους είναι πολύ μικρή.Ως αποτέλεσμα, απαιτείται μόνο μια μικρή ποσότητα ενέργειας, όπως ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, για να διεγείρονται τα ηλεκτρόνια στην ζώνη αγωγιμότητας και να παράγεται κατευθυνόμενη ροή ρεύματος.

Στους ημιαγωγούς, υπάρχει μια απαγορευμένη ζώνη, γνωστή επίσης ως το κενό ζώνης, μεταξύ της ζώνης αγωγής και της ζώνης βαλενσίας.Τα ηλεκτρόνια μπορούν να ενθουσιαστούν μόνο στην ζώνη αγωγής όταν απορροφούν ενέργεια μεγαλύτερη από το κενό της ζώνηςΓενικά, τα κενά ζώνης των ημιαγωγών κυμαίνονται από περίπου 0 έως 6,5 eV.

Στους μονωτές, το κενό ζώνης είναι πολύ μεγαλύτερο, συνήθως στην τάξη των περισσότερων από 10 eV, καθιστώντας πολύ δύσκολο για τα ηλεκτρόνια να ενθουσιαστούν στην ζώνη αγωγίας.Η ηλεκτρική αγωγή δεν συμβαίνει εύκολα..

Ως εκ τούτου, η μοναδική ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών μεταξύ αγωγών και μονωτών καθορίζεται θεμελιωδώς από τη δομή της ενεργειακής ζώνης τους.

Διάγραμμα δομής ενεργειακής ζώνης

Από το Σίλικον στο Καρβίδιο Σίλικον

Οι ημιαγωγοί μπορούν να κατασκευαστούν από καθαρά στοιχεία, με το πυρίτιο και το γερμανικό να είναι τα πιο κοινά παραδείγματα.Μπορούν επίσης να κατασκευαστούν από σύνθετα υλικά όπως το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και το αρσενικό του γαλλίου (GaAs).

Οι πρώτες συσκευές ημιαγωγών κατασκευάζονταν κυρίως από γερμανίο.Η απόδοση της συσκευής έχει προσεγγίσει σταδιακά τα φυσικά όρια του ίδιου του πυριτίου..

Αυτό έχει δημιουργήσει νέες ευκαιρίες για προηγμένα ημιαγωγικά υλικά, μεταξύ των οποίων το καρβίδιο του πυριτίου, ή SiC, έχει γίνει ένας από τους πιο υποσχόμενους ανταγωνιστές του παραδοσιακού πυριτίου.

Ας εξετάσουμε πιο προσεκτικά τα πλεονεκτήματα του SiC σε σύγκριση με το Si.

Η μοναδική δομή του SiC του δίνει ανώτερη απόδοση

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα σύνθετο υλικό ημιαγωγών που αποτελείται από άτομα άνθρακα και πυριτίου σε αναλογία 1:1.όπως SiC4 ή CSi4Σε αυτή τη δομή, ένα άτομο βρίσκεται στο κέντρο ενός τετράεδρου που σχηματίζεται από τέσσερα γύρω άτομα.

Ατομική δομή SiC

Η δομή ενός υλικού καθορίζει τις ιδιότητές του και οι ιδιότητές του καθορίζουν τις εφαρμογές του.Είναι ακριβώς η μοναδική ατομική δομή του SiC που του δίνει εξαιρετικές φυσικές και χημικές επιδόσεις.

Ας εξετάσουμε αρκετές βασικές ιδιότητες του SiC, συμπεριλαμβανομένης της αντοχής διάσπασης, του κενού ζώνης και της θερμικής αγωγιμότητας.

1Υψηλή κρίσιμη αντοχή διάσπασης

Το SiC έχει πολύ υψηλή κρίσιμη αντοχή διάσπασης. Αυτό σημαίνει ότι οι συσκευές SiC μπορούν να αντέξουν υψηλότερες τάσεις διατηρώντας το ίδιο μέγεθος συσκευασίας.Επιτρέπει επίσης μειωμένες απαιτήσεις μόνωσης στις συσκευασίες, διατηρώντας την ίδια ονομαστική τάση.

Ως αποτέλεσμα, το SiC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή εξαρτημάτων με τάσεις μπλοκάρισμα που μπορεί να είναι κατά σειρά μεγέθους υψηλότερες από εκείνες που είναι εφικτές με το πυρίτιο.

Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά ενός ημιαγωγού είναι το ενεργειακό του κενό ή το κενό ζώνης.602 × 10−19 ζαούλια.

Το κενό ζώνης του SiC είναι περίπου 3,26 eV, ενώ αυτό του Si είναι περίπου 1,12 eV. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά ημιαγωγών όπως το Si και το GaAs,Ηλεκτρονικές συσκευές ∆ημοσίευσης ∆ημοσίευσης, υψηλότερες θερμοκρασίες, και υψηλότερες συχνότητες.

Αυτό κάνει τις συσκευές με βάση το SiC ταχύτερες, μικρότερες και πιο αξιόπιστες.

3. Υψηλή θερμική αγωγιμότητα

Η θερμική αγωγιμότητα είναι μια άλλη σημαντική ιδιότητα των υλικών ημιαγωγών..

Αυτό επιτρέπει στα εξαρτήματα που κατασκευάζονται από ημιαγωγούς υψηλής θερμικής αγωγιμότητας να είναι μικρότερα και συμβάλλει στη βελτίωση της θερμικής διαχείρισης του συνολικού συστήματος.

Η θερμική αγωγιμότητα του SiC είναι περίπου 430 W/m·K, ενώ αυτή του Si είναι περίπου 150 W/m·K. Αυτό δίνει στο SiC ένα σαφές πλεονέκτημα σε εφαρμογές υψηλής ισχύος και υψηλής θερμοκρασίας.

Καρβίδιο του πυριτίου ως υλικό ημιαγωγών

Έχουμε ήδη συζητήσει πολλές παραδοσιακές εφαρμογές του SiC, συμπεριλαμβανομένων των ανθεκτικών υλικών, των ακαθαρτικών και των λειτουργικών κεραμικών.Το πιο συναρπαστικό δυναμικό του SiC έγκειται στην απόδοσή του ως υλικό ημιαγωγών ισχύος που χρησιμοποιείται σε συσκευές όπως τα MOSFET και οι διόδοι φραγμού Schottky.

Χάρη στην υψηλή αντοχή της σε διάσπαση, το ευρύ εύρος ζώνης και την εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, το SiC μπορεί να ξεπεράσει τα παραδοσιακά υλικά ημιαγωγών όπως το Si, Ge,και GaAs σε πολλές απαιτητικές εφαρμογές.

Καθώς οι τεχνολογίες παραγωγής συνεχίζουν να ωριμάζουν, το καρβίδιο του πυριτίου γίνεται ένα αναδυόμενο αστέρι στον τομέα των υλικών ημιαγωγών.