Szczegóły bloga

Kiedy ludzie słyszą to określeniewęglik krzemu, LubSiC, pierwszą rzeczą, która może przyjść na myśl, jest ściernica z węglika krzemu, popularnie zwana karborundem. Ze względu na doskonałą odporność na zużycie, wysoką twardość i odporność na wysoką temperaturę węglik krzemu jest od dawna szeroko stosowany w materiałach ściernych, narzędziach szlifierskich, materiałach ogniotrwałych i ceramice funkcjonalnej.

W poprzednim artykule omówiliśmy historię kryształów węglika krzemu jako „kamień miłości”. W tym artykule skupimy się na węgliku krzemu jakomateriał półprzewodnikowy.

Co to jest półprzewodnik?

Półprzewodniki są niezbędnymi elementami w prawie każdym obwodzie elektronicznym. Półprzewodnik to specjalny rodzaj materiału, którego przewodność elektryczna mieści się pomiędzy przewodnictwem, takim jak metal, a izolatorem, takim jak ceramika lub tworzywo sztuczne. Przewodność półprzewodnika może się również różnić w zależności od jego temperatury roboczej lub zanieczyszczeń wprowadzonych w procesie produkcyjnym.

Klasyfikacja materiałów ze względu na przewodność elektryczną

Ściśle mówiąc, przewodność elektryczna jest określana przezstruktura pasma energetycznegomateriału. Dlatego też standardową definicję półprzewodnika należy wyjaśniać z punktu widzenia pasm energetycznych.

Jak pokazano na schemacie pasm energii przewodników, półprzewodników i izolatorów, pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne przewodnika nakładają się. Różnica energii między podstrukturami pasm jest bardzo mała, dlatego do wzbudzenia elektronów do pasma przewodnictwa i wytworzenia kierunkowego prądu elektrycznego potrzebna jest tylko niewielka ilość energii, na przykład zewnętrzne pole elektryczne.

Natomiast półprzewodnik ma zabronione pasmo, czyli pasmo wzbronione, pomiędzy pasmem przewodnictwa a pasmem walencyjnym. Elektrony muszą otrzymać energię większą niż pasmo wzbronione, aby mogły zostać wzbudzone w paśmie przewodnictwa. Ogólnie rzecz biorąc, pasmo wzbronione półprzewodników mieści się w zakresie od 0 do 6,5 eV. Izolatory mają jednak bardzo duże pasmo wzbronione, zwykle rzędu ponad 10 eV, co bardzo utrudnia wzbudzenie elektronów do pasma przewodnictwa. W rezultacie izolatory nie przewodzą łatwo prądu elektrycznego.

Pokazuje to, że o szczególnej przewodności półprzewodników, która występuje pomiędzy przewodnikami i izolatorami, decyduje ich struktura pasma energetycznego.

Schemat struktury pasma energii

Półprzewodniki mogą być wykonane z czystych pierwiastków, przy czym najczęstszymi przykładami są krzem i german. Mogą być również wykonane z materiałów złożonych, npwęglik krzemu (SiC)Iarsenek galu (GaAs).

Wczesne urządzenia półprzewodnikowe były wykonane głównie z germanu. Później najpopularniejszym materiałem półprzewodnikowym stał się krzem. Jednakże w miarę ciągłego rozwoju wydajności urządzeń krzemowych stopniowo zbliżały się one do fizycznych granic samego krzemu. W rezultacie pojawiają się nowe materiały, które stanowią silną konkurencję dla krzemu, a węglik krzemu jest jednym z najbardziej obiecujących wśród nich.

Przyjrzyjmy się teraz zaletom SiC w porównaniu z krzemem.

Unikalna struktura SiC decyduje o jego doskonałych właściwościach

SiC to złożony materiał półprzewodnikowy składający się z atomów węgla i atomów krzemu w stosunku stechiometrycznym 1:1. Podstawową jednostką strukturalną kryształu SiC jest struktura czworościenna, taka jak SiC₄ lub CSi₄. W tej gęsto upakowanej strukturze cztery atomy krzemu tworzą czworościan, z jednym atomem węgla umieszczonym w środku.

Struktura atomowa SiC

Struktura materiału determinuje jego właściwości, a właściwości determinują jego zastosowanie. To właśnie unikalna struktura atomowa SiC nadaje mu doskonałe właściwości fizyczne i chemiczne.

Poniżej przedstawiono kilka kluczowych właściwości SiC, w tym krytyczną wytrzymałość na przebicie, pasmo wzbronione i przewodność cieplną.

1. Wysoka krytyczna siła przebicia

SiC ma bardzo wysoką krytyczną wytrzymałość na przebicie. Oznacza to, że może wytrzymać wyższe napięcia przy zachowaniu tego samego napięcia znamionowego i zmniejszeniu wymagań izolacyjnych w pakiecie. Umożliwia także komponentom osiągnięcie napięć blokujących, które mogą być o rząd wielkości wyższe niż te możliwe w przypadku krzemu, bez znaczącego zwiększania rozmiaru obudowy.

Źródło obrazu: Internet

2. Szerokopasmowa przerwa

Jedną z kluczowych cech półprzewodnika jest jegoluka energetyczna, znany również jakoprzerwa pasmowa. Pasmo wzbronione mierzy się w elektronowoltach, czyli eV, gdzie 1 eV jest w przybliżeniu równy 1,602 × 10⁻¹⁹ dżuli.

Pasmo wzbronione SiC wynosi około3,26 eV, podczas gdy w przypadku krzemu wynosi ok1,12 eV. W porównaniu z tradycyjnymi materiałami półprzewodnikowymi, takimi jak krzem i GaA, półprzewodniki trzeciej generacji o szerokiej przerwie energetycznej reprezentowane przez SiC umożliwiają produktom elektronicznym, zwłaszcza urządzeniom energoelektronicznym, działanie przy wyższych napięciach, wyższych temperaturach i wyższych częstotliwościach. Dzięki temu urządzenia są szybsze, mniejsze i bardziej niezawodne.

Źródło obrazu: Internet

3. Wysoka przewodność cieplna

Przewodność cieplna jest ważną właściwością materiałów półprzewodnikowych. Im wyższa przewodność cieplna, tym łatwiej jest półprzewodnikowi odprowadzić ciepło powstające podczas pracy.

Dzięki temu elementy wykonane z materiałów o dobrej przewodności cieplnej mogą być mniejsze i poprawiają zarządzanie ciepłem całego systemu. Przewodność cieplna SiC wynosi w przybliżeniu430 W/m·K, podczas gdy w przypadku krzemu wynosi ok150 W/m·K.

Źródło obrazu: Internet

Węglik krzemu jako półprzewodnik

Omówiliśmy już wiele zastosowań SiC, w tym materiały ogniotrwałe, materiały ścierne i ceramikę funkcjonalną. Jednak najbardziej ekscytujące zastosowanie SiC polega na jego działaniu jako materiału półprzewodnikowego mocy w urządzeniach takich jakMOSFETyIDiody barierowe Schottky'ego (SBD).

Dzięki wysokiej wytrzymałości na przebicie, szerokiej przerwie wzbronionej i doskonałej przewodności cieplnej SiC może przewyższać materiały takie jak krzem, german i arsenek galu w wielu wymagających zastosowaniach.

W miarę doskonalenia technologii produkcyjnych węglik krzemu szybko zyskuje na popularności jako obiecująca nowa gwiazda w dziedzinie materiałów półprzewodnikowych.