Λεπτομέρειες Blog

Όταν ο κόσμος ακούει τον όροκαρβίδιο του πυριτίου, ήΟύτω, το πρώτο πράγμα που μπορεί να σας έλθει στο μυαλό είναι ένας τροχός λείανσης καρβιδίου του πυριτίου, κοινώς γνωστός ως carborundum. Λόγω της εξαιρετικής αντοχής στη φθορά, της υψηλής σκληρότητας και της αντοχής σε υψηλή θερμοκρασία, το καρβίδιο του πυριτίου χρησιμοποιείται από καιρό σε λειαντικά, εργαλεία λείανσης, πυρίμαχα υλικά και λειτουργικά κεραμικά.

Στο προηγούμενο άρθρο, συζητήσαμε την ιστορία των κρυστάλλων καρβιδίου του πυριτίου ως «οι πολύτιμοι λίθοι της αγάπης». Σε αυτό το άρθρο, θα επικεντρωθούμε στο καρβίδιο του πυριτίου ως αυλικό ημιαγωγών.

Τι είναι ο ημιαγωγός;

Οι ημιαγωγοί είναι απαραίτητα στοιχεία σχεδόν σε κάθε ηλεκτρονικό κύκλωμα. Ο ημιαγωγός είναι ένας ειδικός τύπος υλικού του οποίου η ηλεκτρική αγωγιμότητα βρίσκεται μεταξύ εκείνης ενός αγωγού, όπως το μέταλλο, και ενός μονωτή, όπως το κεραμικό ή το πλαστικό. Η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού μπορεί επίσης να ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας του ή τις ακαθαρσίες που εισάγονται κατά τη διαδικασία κατασκευής.

Ταξινόμηση υλικών κατά ηλεκτρική αγωγιμότητα

Αυστηρά μιλώντας, η ηλεκτρική αγωγιμότητα καθορίζεται από τοδομή ενεργειακής ζώνηςενός υλικού. Επομένως, ο τυπικός ορισμός ενός ημιαγωγού θα πρέπει να εξηγηθεί από την οπτική γωνία των ζωνών ενέργειας.

Όπως φαίνεται στο διάγραμμα ζωνών ενέργειας των αγωγών, ημιαγωγών και μονωτών, η ζώνη αγωγιμότητας και η ζώνη σθένους ενός αγωγού επικαλύπτονται. Η διαφορά ενέργειας μεταξύ των υποδομών των ζωνών είναι πολύ μικρή, επομένως μόνο μια μικρή ποσότητα ενέργειας, όπως ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, χρειάζεται για να διεγείρει τα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και να σχηματίσει ένα κατευθυντικό ηλεκτρικό ρεύμα.

Αντίθετα, ένας ημιαγωγός έχει μια απαγορευμένη ζώνη, ή διάκενο ζώνης, μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους. Τα ηλεκτρόνια πρέπει να λαμβάνουν ενέργεια μεγαλύτερη από το διάκενο ζώνης για να διεγερθούν στη ζώνη αγωγιμότητας. Γενικά, το χάσμα ζώνης των ημιαγωγών κυμαίνεται από 0 έως 6,5 eV. Οι μονωτές, ωστόσο, έχουν ένα πολύ μεγάλο διάκενο ζώνης, συνήθως της τάξεως άνω των 10 eV, καθιστώντας πολύ δύσκολο για τα ηλεκτρόνια να διεγείρονται στη ζώνη αγωγιμότητας. Ως αποτέλεσμα, οι μονωτές δεν μεταφέρουν εύκολα ηλεκτρισμό.

Αυτό δείχνει ότι η ειδική αγωγιμότητα των ημιαγωγών, η οποία βρίσκεται μεταξύ αγωγών και μονωτών, καθορίζεται από τη δομή της ενεργειακής ζώνης τους.

Διάγραμμα δομής ενεργειακής ζώνης

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

Οι πρώτες συσκευές ημιαγωγών κατασκευάζονταν κυρίως από γερμάνιο. Αργότερα, το πυρίτιο έγινε το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό ημιαγωγών. Ωστόσο, καθώς η απόδοση της συσκευής με βάση το πυρίτιο συνέχισε να αναπτύσσεται, σταδιακά προσέγγισε τα φυσικά όρια του ίδιου του πυριτίου. Ως αποτέλεσμα, νέα υλικά αναδύονται ως ισχυροί ανταγωνιστές του πυριτίου και το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα μεταξύ τους.

Ας δούμε τώρα τα πλεονεκτήματα του SiC σε σύγκριση με το πυρίτιο.

Η Μοναδική Δομή του SiC Καθορίζει τις Ανώτερες Ιδιότητές του

Το SiC είναι ένα σύνθετο ημιαγωγό υλικό που αποτελείται από άτομα άνθρακα και άτομα πυριτίου σε στοιχειομετρική αναλογία 1:1. Η βασική δομική μονάδα ενός κρυστάλλου SiC είναι μια τετραεδρική δομή, όπως το SiC4 ή το CSi4. Σε αυτήν την πυκνή δομή, τέσσερα άτομα πυριτίου σχηματίζουν ένα τετράεδρο, με ένα άτομο άνθρακα να βρίσκεται στο κέντρο.

Ατομική δομή του 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 προσδίδει εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες.

Παρακάτω είναι αρκετές βασικές ιδιότητες του SiC, όπως η κρίσιμη αντοχή διάσπασης, το διάκενο ζώνης και η θερμική αγωγιμότητα.

1. Υψηλή κρίσιμη αντοχή σε διάσπαση

Το SiC έχει πολύ υψηλή κρίσιμη δύναμη διάσπασης. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να αντέξει υψηλότερες τάσεις διατηρώντας την ίδια ονομαστική τάση και μειώνοντας τις απαιτήσεις μόνωσης στη συσκευασία. Επιτρέπει επίσης στα εξαρτήματα να επιτυγχάνουν τάσεις μπλοκαρίσματος που μπορεί να είναι μια τάξη μεγέθους υψηλότερες από αυτές που είναι δυνατές με το πυρίτιο, χωρίς να αυξάνεται σημαντικά το μέγεθος της συσκευασίας.

Πηγή εικόνας: Διαδίκτυο

2. Wide Band Gap

Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά ενός ημιαγωγού είναιενεργειακό χάσμα, επίσης γνωστό ως τοχάσμα ζώνης. Το διάκενο ζώνης μετριέται σε ηλεκτρονιοβολτ, ή eV, όπου 1 eV είναι περίπου ίσο με 1,602 × 10-19 joules.

Το band gap του SiC είναι περίπου3,26 eV, ενώ αυτή του πυριτίου είναι περίπου1,12 eV. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά ημιαγωγών όπως το πυρίτιο και το GaAs, οι ημιαγωγοί τρίτης γενιάς με ευρύ διάκενο που αντιπροσωπεύονται από το SiC επιτρέπουν στα ηλεκτρονικά προϊόντα, ειδικά ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος, να λειτουργούν σε υψηλότερες τάσεις, υψηλότερες θερμοκρασίες και υψηλότερες συχνότητες. Αυτό κάνει τις συσκευές πιο γρήγορες, μικρότερες και πιο αξιόπιστες.

Πηγή εικόνας: Διαδίκτυο

3. Υψηλή θερμική αγωγιμότητα

Η θερμική αγωγιμότητα είναι μια σημαντική ιδιότητα των ημιαγωγών υλικών. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα, τόσο πιο εύκολο είναι για τον ημιαγωγό να διαχέει τη θερμότητα που παράγεται κατά τη λειτουργία.

Αυτό επιτρέπει στα εξαρτήματα που κατασκευάζονται από υλικά με καλή θερμική αγωγιμότητα να είναι μικρότερα και βελτιώνει τη θερμική διαχείριση ολόκληρου του συστήματος. Η θερμική αγωγιμότητα του SiC είναι περίπου430 W/m·K, ενώ αυτή του πυριτίου είναι περίπου150 W/m·K.

Πηγή εικόνας: Διαδίκτυο

Το καρβίδιο του πυριτίου ως ημιαγωγός

Έχουμε ήδη συζητήσει πολλές εφαρμογές του SiC, συμπεριλαμβανομένων των πυρίμαχων υλικών, των λειαντικών και των λειτουργικών κεραμικών. Ωστόσο, η πιο συναρπαστική εφαρμογή του SiC έγκειται στην απόδοσή του ως υλικό ημιαγωγού ισχύος για συσκευές όπως π.χ.MOSFETκαιΔίοδοι φραγμού Schottky (SBD).

Χάρη στην υψηλή αντοχή σε διάσπαση, το μεγάλο διάκενο ζώνης και την εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, το SiC μπορεί να ξεπεράσει τα υλικά όπως το πυρίτιο, το γερμάνιο και το αρσενίδιο του γαλλίου σε πολλές απαιτητικές εφαρμογές.

Καθώς οι τεχνολογίες κατασκευής συνεχίζουν να ωριμάζουν, το καρβίδιο του πυριτίου αυξάνεται ραγδαία ως ένα πολλά υποσχόμενο νέο αστέρι στον τομέα των υλικών ημιαγωγών.