Szczegóły bloga

Karbid krzemowy: od materiału ścierającego do półprzewodnika nowej generacji

Kiedy mówimy o węglanu krzemowym, pierwszą rzeczą, która może przyjść nam do głowy, jest znane nam szlifierko karborundu - rodzaj często używany do ostrzenia noży kuchennych.Dzięki doskonałej odporności na zużycieKarbid krzemowy, o wysokiej twardości i wyjątkowej stabilności w wysokich temperaturach, od dawna jest szeroko stosowany w ścieraczach, narzędziach szlifujących, materiałach ogniotrwałych i ceramikach funkcjonalnych.

W poprzednim artykule omówiliśmy historię kryształów węglika krzemu jako kamieni szlachetnych miłości. W tym artykule skupiamy się na węglinie krzemu jako materiale półprzewodnikowym.

Półprzewodniki są niezbędnymi elementami w niemal każdym układzie elektronicznym, z którym mamy do czynienia.takie jak metal, i izolacji, takiej jak ceramika lub tworzywa sztuczne.Przewodność półprzewodnika może się również zmieniać w zależności od temperatury pracy lub zanieczyszczeń wprowadzonych podczas procesu produkcyjnego.

Jednakże ściśle rzecz biorąc przewodność elektryczna jest określona przez strukturę pasma energetycznego materiału.dokładniejsza definicja półprzewodnika powinna opierać się na jego strukturze pasma.

Jak pokazano na poniższym diagramie, przewodniki, półprzewodniki i izolatory mają różne struktury pasma energetycznego.lub różnica energii między nimi jest bardzo małaW rezultacie potrzebna jest tylko niewielka ilość energii, takiej jak zewnętrzne pole elektryczne, aby pobudzić elektrony w pasmie przewodzącym i wygenerować kierunkowy przepływ prądu.

W półprzewodnikach istnieje zakazany pas, znany również jako przepaść pasmowa, między pasmem przewodzenia a pasmem walencji.Elektrony mogą być pobudzane do pasma przewodzenia tylko wtedy, gdy absorbują energię większą niż przepaść pasmaOgólnie rzecz biorąc, przerwy pasmowe półprzewodników wahają się od około 0 do 6,5 eV.

W izolacjach, przepaść pasma jest znacznie większa, zazwyczaj w porządku ponad 10 eV, co sprawia, że jest bardzo trudne dla elektronów być podekscytowane w pasmie przewodzenia.przewodzenie elektryczne nie występuje łatwo.

W związku z tym unikalna przewodność elektryczna półprzewodników – między przewodnikami a izolatorami – jest zasadniczo określona przez ich strukturę pasma energetycznego.

Schemat struktury pasma energetycznego

Od krzemu do węglanu krzemu

Półprzewodniki mogą być wytwarzane z czystego pierwiastka, a najczęstszymi przykładami są krzem i germanium.Mogą być również wykonane z materiałów złożonych, takich jak węglik krzemu (SiC) i arsenek galium (GaAs).

Wcześniejsze urządzenia półprzewodnikowe były wykonane głównie z germanu.Wydajność urządzenia stopniowo zbliża się do fizycznych ograniczeń samego krzemu.

To stworzyło nowe możliwości dla zaawansowanych materiałów półprzewodnikowych, w tym węglika krzemu, czyli SiC, który stał się jednym z najbardziej obiecujących konkurentów tradycyjnego krzemu.

Przyjrzyjmy się bliżej zaletom SiC w porównaniu z Si.

Unikalna struktura SiC zapewnia jej wyższe osiągi

Karbid krzemowy to związek półprzewodnikowy składający się z atomów węgla i krzemu w stosunku stochiometrycznym 1:1.takie jak SiC4 lub CSi4W tej strukturze jeden atom znajduje się w centrum tetraedru utworzonego przez cztery otaczające go atomy.

Struktura atomowa SiC

Struktura materiału określa jego właściwości, a jego właściwości określają jego zastosowania.To właśnie unikalna struktura atomowa SiC daje mu doskonałe właściwości fizyczne i chemiczne.

Przyjrzyjmy się kilku kluczowym właściwościom SiC, w tym wytrzymałości rozkładu, przepływowości i przewodności cieplnej.

1Wysoka krytyczna wytrzymałość rozpadu

SiC ma bardzo wysoką krytyczną wytrzymałość rozkładu, co oznacza, że urządzenia SiC mogą wytrzymać wyższe napięcia przy zachowaniu tego samego rozmiaru opakowania.Umożliwia również zmniejszenie wymogów izolacyjnych w opakowaniach przy zachowaniu tej samej napięcia.

W rezultacie SiC może być wykorzystywany do produkcji komponentów o napięciach blokujących, które mogą być o rząd wielkości wyższe niż te osiągalne z krzemu.

Jedną z najważniejszych cech półprzewodnika jest jego przepaść energetyczna lub przepaść pasmowa.602 × 10−19 dżul.

Przepaść pasmowa SiC wynosi około 3,26 eV, podczas gdy Si wynosi około 1,12 eV. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami półprzewodnikowymi, takimi jak Si i GaAs,półprzewodniki szerokopasmowe trzeciej generacji, reprezentowane przez SiC, umożliwiają działanie urządzeń elektronicznych, zwłaszcza urządzeń elektronicznych zasilających, przy wyższych napięciach, wyższe temperatury i wyższe częstotliwości.

Dzięki temu urządzenia oparte na SiC są szybsze, mniejsze i bardziej niezawodne.

3Wysoka przewodność cieplna

Przewodność cieplna jest kolejnym ważnym właściwościami materiałów półprzewodnikowych. Im wyższa przewodność cieplna, tym skuteczniej materiał może rozpraszać ciepło wytwarzane podczas pracy.

Pozwala to na zmniejszenie wielkości komponentów wykonanych z półprzewodników o wysokiej przewodności cieplnej i na poprawę zarządzania cieplnym całego systemu.

Przewodność cieplna SiC wynosi około 430 W/m·K, natomiast SiC wynosi około 150 W/m·K. Daje to SiC wyraźną przewagę w zastosowaniach o wysokiej mocy i wysokiej temperaturze.

Karbid krzemowy jako materiał półprzewodnikowy

Omówiliśmy już wiele tradycyjnych zastosowań SiC, w tym materiały ogniotrwałe, ścieracze i ceramiki funkcjonalne.Najbardziej ekscytujący potencjał SiC leży w jego wydajności jako materiału półprzewodnikowego wykorzystywanego w urządzeniach takich jak MOSFET i diody barierowe Schottky'ego.

Dzięki swojej wysokiej wytrzymałości rozkładu, szerokiej pasmowej lukie i doskonałej przewodności cieplnej, SiC może przewyższać tradycyjne materiały półprzewodnikowe, takie jak Si, Ge,i GaAs w wielu wymagających zastosowaniach.

Wraz z rozwojem technologii produkcyjnych, węglik krzemu staje się wschodzącą gwiazdą w dziedzinie materiałów półprzewodnikowych.