Dzięki półprzewodnikom nasze urządzenia elektroniczne łączą cały świat. Krzem (Si) od dawna jest głównym materiałem półprzewodników, ale nową alternatywą jest węglik krzemu (SiC).
Materiały półprzewodnikowe mają unikalne właściwości, takie jak przewodność elektryczna między izolatorem a przewodnikiem, z właściwościami obu; i niską rezystywność w wysokich temperaturach, dzięki czemu nadają się do stosowania w chipach komputerowych.
Właściwości półprzewodników można dostosować poprzez dodanie zanieczyszczeń (domieszkowanie) do ich struktury molekularnej. Zmienia to ścieżkę przepływu elektronów przez krzem i węglik krzemu i umożliwia dostosowanie do różnych zastosowań elektronicznych.
Urządzenia SiC znacznie przewyższają urządzenia Si pod wieloma-bardzo poszukiwanymi właściwościami półprzewodników, co czyni je kluczowymi graczami w dążeniu do większej wydajności i wydajności.
Jakie są właściwości węglika krzemu?
Ze względu na swoją strukturę atomową węglik krzemu (SiC) ma inne właściwości niż czysty krzem. Struktura kryształu krzemu pozwala na utworzenie podstawowej sieci połączonej z czterema sąsiadującymi atomami krzemu. Jednakże krzem łączy się z węglem, tworząc ciasno upakowany czworościan, w którym cztery atomy węgla są przeplatane atomem krzemu, tworząc strukturę krystaliczną, która maksymalizuje gęstość mocy, wydajność i niezawodność.
Przewodność cieplna
Przewodność cieplna jest miarą łatwości przenoszenia ciepła przez materiał. Jest to kluczowa cecha półprzewodników, ponieważ wskazuje stopień, w jakim materiał jest w stanie efektywnie odprowadzać ciepło (nagromadzenie ciepła w wyniku zwiększonej mocy w wyniku zwiększonego prądu), zwiększając w ten sposób jego możliwości napięciowe i prądowe.
Przewodność cieplna krzemu wynosząca 130 W/(m⋅K) jest znacznie niższa niż 490 W/(m⋅K węglika krzemu), dzięki czemu półprzewodniki z węglika krzemu wydajniej rozpraszają ciepło i wytrzymują wyższe napięcia robocze.
Rozszerzalność cieplna
Rozszerzalność cieplna ma miejsce, gdy materiał zmienia kształt lub rozmiar -, ale nie fazę - ze względu na zmianę temperatury, np. z cieczy w gaz. Typowym przykładem jest nałożenie gorącej wody na zakleszczoną zakrętkę butelki w celu jej rozszerzenia w celu otwarcia.
Węglik krzemu ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, co oznacza, że jest w stanie lepiej zachować swój kształt, wytrzymałość i właściwości w wysokich temperaturach (i wysokich napięciach), czego krzem może nie być w stanie zrobić.
Siła pola elektrycznego
Dwie inne krytyczne i powiązane właściwości półprzewodników to pasmo wzbronione materiału i maksymalne natężenie pola elektrycznego.
W cząsteczkach materiałów półprzewodnikowych elektrony przemieszczają się pomiędzy różnymi pasmami energii: obszarami, które muszą zajmować, ponieważ między pasmami nie ma stanów energetycznych. Pasmo wzbronione (lub przerwa energetyczna) to ilość energii potrzebna elektronom do przeskoczenia z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, umożliwiając w ten sposób przewodnictwo elektryczne. Kiedy półprzewodniki otrzymują energię elektryczną i wchodzą w stan przewodzenia, wykazują unikalne właściwości hybrydowe izolator/przewodnik.
Półprzewodniki z węglika krzemu mają przerwę energetyczną trzykrotnie większą niż półprzewodniki na bazie krzemu-, co pozwala im wytrzymać większe natężenie pola elektrycznego niż krzem, a tym samym działać przy wyższych napięciach i temperaturach.
Zalety półprzewodników z węglika krzemu
Jak wspomniano powyżej, półprzewodniki z węglika krzemu mają większą przerwę energetyczną, co pozwala im lepiej wytrzymywać i rozpraszać ciepło w porównaniu z półprzewodnikami-na bazie krzemu. Oferują także inne korzyści:
Wysoka przerwa energetyczna węglika krzemu jest przydatna w-zastosowaniach wymagających dużej mocy, ponieważ większa przerwa energetyczna pozwala na stosowanie mniejszych urządzeń półprzewodnikowych i wyższą wydajność roboczą.
W przypadku diody, popularnego urządzenia półprzewodnikowego, napięcie przebicia to napięcie, przy którym przez diodę może przepływać prąd przyłożony odwrotnie. Wysokie napięcie przebicia węglika krzemu sprawia, że idealnie nadaje się do tranzystorów MOSFET.
Prowadzi to do innej ważnej cechy półprzewodników w tranzystorach MOSFET: czasu odzyskiwania wstecznego. Jeśli MOSFET przejdzie w odwrotne polaryzację, czas potrzebny na powrót do normalnego stanu nazywany jest czasem powrotu do normy. W tym czasie prąd może płynąć w odwrotnym kierunku, a system doświadcza strat energii. W takich przypadkach urządzenia SiC charakteryzują się niezwykle krótkimi czasami odzyskiwania wstecznego i znikomymi stratami energii, w przeciwieństwie do urządzeń SiC.
Węglik krzemu ma większą elastyczność w domieszkowaniu (dodawania zanieczyszczeń) niż krzem. Można go dostosować do przewodzenia prądu elektrycznego tylko w określonych warunkach, takich jak doświadczenie określonego natężenia światła (podczerwień, światło widzialne lub ultrafiolet), co zapewnia półprzewodnikom SiC więcej zastosowań.
