Οι ημιαγωγοί επιτρέπουν στις ηλεκτρονικές συσκευές μας να συνδέουν ολόκληρο τον κόσμο. Το πυρίτιο (Si) ήταν από καιρό το κύριο υλικό για ημιαγωγούς, αλλά μια νέα εναλλακτική λύση είναι το καρβίδιο του πυριτίου (SiC).
Τα υλικά ημιαγωγών έχουν μοναδικές ιδιότητες, όπως η ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ αυτής ενός μονωτή και ενός αγωγού, με ιδιότητες και των δύο. και χαμηλή ειδική αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας τα κατάλληλα για χρήση σε τσιπ υπολογιστών.
Οι ιδιότητες των ημιαγωγών μπορούν να προσαρμοστούν με την προσθήκη ακαθαρσιών (ντόπινγκ) στη μοριακή τους δομή. Αυτό αλλάζει τη διαδρομή ροής των ηλεκτρονίων μέσω του πυριτίου και του καρβιδίου του πυριτίου και επιτρέπει την προσαρμογή για μια ποικιλία ηλεκτρονικών εφαρμογών.
Οι συσκευές SiC ξεπερνούν κατά πολύ τις συσκευές Si σε πολλά περιζήτητα-χαρακτηριστικά ημιαγωγών, γεγονός που τις καθιστά βασικό παράγοντα στην αναζήτηση μεγαλύτερης απόδοσης και απόδοσης.
Ποια είναι τα χαρακτηριστικά του καρβιδίου του πυριτίου;
Λόγω της ατομικής του δομής, το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) έχει διαφορετικές ιδιότητες από το καθαρό πυρίτιο. Η κρυσταλλική δομή του πυριτίου του επιτρέπει να σχηματίζει ένα βασικό πλέγμα συνδεδεμένο με τέσσερα γειτονικά άτομα πυριτίου. Ωστόσο, το πυρίτιο συνδυάζεται με τον άνθρακα για να σχηματίσει ένα σφιχτά συσκευασμένο τετράεδρο στο οποίο τέσσερα άτομα άνθρακα παρεμβάλλονται με ένα άτομο πυριτίου, με αποτέλεσμα μια κρυσταλλική δομή που μεγιστοποιεί την πυκνότητα ισχύος, την απόδοση και την αξιοπιστία.
Θερμική αγωγιμότητα
Η θερμική αγωγιμότητα είναι ένα μέτρο του πόσο εύκολα μπορεί να μεταφερθεί η θερμότητα μέσω ενός υλικού. Αυτό είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό των ημιαγωγών, καθώς υποδεικνύει τον βαθμό στον οποίο ένα υλικό μπορεί να διαχέει αποτελεσματικά τη θερμότητα (συσσώρευση θερμότητας λόγω αυξημένης ισχύος ως αποτέλεσμα αυξημένου ρεύματος), αυξάνοντας έτσι τις ικανότητές του τάσης και ρεύματος.
Η θερμική αγωγιμότητα του πυριτίου 130 W/(m⋅K) είναι σημαντικά χαμηλότερη από 490 W/(m⋅K του καρβιδίου του πυριτίου), επιτρέποντας στους ημιαγωγούς καρβιδίου του πυριτίου να διαχέουν τη θερμότητα πιο αποτελεσματικά και να αντέχουν σε υψηλότερες τάσεις λειτουργίας.
Θερμική Διαστολή
Η θερμική διαστολή είναι όταν ένα υλικό αλλάζει σχήμα ή μέγεθος - αλλά όχι φάση - λόγω αλλαγής θερμοκρασίας, όπως από υγρό σε αέριο. Ένα συνηθισμένο παράδειγμα είναι η εφαρμογή ζεστού νερού σε ένα κολλημένο καπάκι μπουκαλιού για να το ανοίξετε για άνοιγμα.
Το καρβίδιο του πυριτίου έχει πολύ χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, πράγμα που σημαίνει ότι είναι πιο ικανό να διατηρήσει το σχήμα, την αντοχή και τις ιδιότητές του σε υψηλές θερμοκρασίες (και υψηλές τάσεις), κάτι που μπορεί να μην μπορεί να κάνει το πυρίτιο.
Αντοχή Ηλεκτρικού Πεδίου
Δύο άλλες κρίσιμες και σχετικές ιδιότητες ημιαγωγών είναι το διάκενο ζώνης του υλικού και η μέγιστη ένταση ηλεκτρικού πεδίου.
Στα μόρια των ημιαγωγών υλικών, τα ηλεκτρόνια κινούνται μεταξύ διαφορετικών ενεργειακών ζωνών: περιοχές που πρέπει να καταλαμβάνουν επειδή δεν υπάρχουν ενεργειακές καταστάσεις μεταξύ των ζωνών. Το διάκενο ζώνης (ή ενεργειακό χάσμα) είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να μεταπηδήσουν τα ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, επιτρέποντας έτσι την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Όταν οι ημιαγωγοί λαμβάνουν ηλεκτρική ενέργεια και εισέρχονται σε αυτήν την αγώγιμη κατάσταση, παρουσιάζουν μοναδικές υβριδικές ιδιότητες μονωτή/αγωγού.
Οι ημιαγωγοί καρβιδίου του πυριτίου έχουν ένα ενεργειακό κενό τρεις φορές υψηλότερο από αυτό των ημιαγωγών με βάση το πυρίτιο-, το οποίο τους επιτρέπει να αντέχουν υψηλότερες εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου από το πυρίτιο και επομένως να λειτουργούν σε υψηλότερες τάσεις και θερμοκρασίες.
Πλεονεκτήματα ημιαγωγού καρβιδίου πυριτίου
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι ημιαγωγοί καρβιδίου του πυριτίου έχουν μεγαλύτερο ενεργειακό κενό, το οποίο τους επιτρέπει να αντέχουν και να διαχέουν καλύτερα τη θερμότητα σε σύγκριση με τους ημιαγωγούς με βάση το πυρίτιο-. Προσφέρουν επίσης άλλα πλεονεκτήματα:
Το υψηλό ενεργειακό κενό του καρβιδίου του πυριτίου είναι χρήσιμο σε εφαρμογές υψηλής ισχύος{{0}, επειδή το υψηλότερο ενεργειακό κενό επιτρέπει μικρότερες συσκευές ημιαγωγών και υψηλότερη λειτουργική απόδοση.
Για μια δίοδο, μια κοινή συσκευή ημιαγωγών, η τάση διάσπασης είναι η τάση στην οποία ένα αντίστροφο εφαρμοζόμενο ρεύμα μπορεί να ρέει μέσω της διόδου. Η υψηλή τάση διάσπασης του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά ιδανικό για MOSFET.
Αυτό οδηγεί σε ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό ημιαγωγών στα MOSFET: αντίστροφο χρόνο ανάκτησης. Εάν ένα MOSFET μπει σε αντίστροφη πόλωση, ο χρόνος που χρειάζεται για να επιστρέψει στην κανονική του κατάσταση ονομάζεται χρόνος αντίστροφης ανάκτησης. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το ρεύμα μπορεί να ρέει προς την αντίστροφη κατεύθυνση και το σύστημα αντιμετωπίζει απώλεια ενέργειας. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι συσκευές SiC έχουν εξαιρετικά γρήγορους χρόνους ανάστροφης ανάκτησης και αμελητέα απώλεια ενέργειας, ενώ οι συσκευές Si όχι.
Το καρβίδιο του πυριτίου έχει μεγαλύτερη ευελιξία στο ντόπινγκ (προσθέτοντας ακαθαρσίες) από το πυρίτιο. Μπορεί να προσαρμοστεί ώστε να άγει ηλεκτρισμό μόνο υπό συγκεκριμένες συνθήκες, όπως η εμπειρία μιας συγκεκριμένης έντασης φωτός (υπέρυθρο, ορατό ή υπεριώδες), το οποίο δίνει στους ημιαγωγούς SiC περισσότερες εφαρμογές.
