جزئیات وبلاگ

کربید سیلیکون: از ماده ی خاشاک به نیمه هادی نسل بعدی

وقتی درباره کربید سیلیکون صحبت می کنیم، اولین چیزی که ممکن است به ذهن ما بیاید چرخ آسیاب کاربورندوم آشنا است، نوع مورد استفاده برای تیز کردن چاقوی آشپزخانه.با تشکر از مقاومت عالی در برابر فرسایش، سختی بالا و ثبات درجه حرارت بالا، کربید سیلیکون مدت هاست که به طور گسترده ای در خاشاک ها، ابزار های آسیاب، مواد آتش گیر و سرامیک های کاربردی استفاده می شود.

در مقاله قبلی ما درباره داستان کریستال های کربید سیلیکون به عنوان سنگهای قیمتی عشق صحبت کردیم. در این مقاله ما بر کربید سیلیکون به عنوان یک ماده نیمه هادی تمرکز خواهیم کرد.

نیمه هادی ها اجزای اساسی در تقریباً هر مدار الکترونیکی ای هستند که ما با آن روبرو هستیم. نیمه هادی یک نوع خاص از ماده است که هادی الکتریکی آن بین هادی و هادی است.مثل فلز، و عایق مانند سرامیک یا پلاستیک.رسانایی یک نیمه هادی همچنین می تواند بسته به دمای عملیاتی آن یا ناخالصی هایی که در طول فرآیند تولید وارد می شوند تغییر کند.

با این حال، به طور دقیق صحبت کردن، رسانایی الکتریکی توسط ساختار باند انرژی مواد تعیین می شود.تعریف دقیق تر از یک نیمه هادی باید بر اساس ساختار باند آن باشد..

همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است، هادی ها، نیمه هادی ها و عایق ها دارای ساختار باند انرژی متفاوتی هستند. در هادی ها، باند هادی و باند والانس همپوشانی دارند،یا تفاوت انرژی بین آنها بسیار کوچک استدر نتیجه، تنها مقدار کمی از انرژی، مانند یک میدان الکتریکی خارجی، برای تحریک الکترون ها در باند هدایت و تولید جریان جریان جهت نیاز است.

در نیمه هادی ها، یک باند ممنوع وجود دارد که بین باند هدایت و باند والانس نیز شناخته می شود.الکترون ها فقط می توانند به باند رسانا هیجان زده شوند وقتی که انرژی بیشتری از فاصله باند جذب کنندبه طور کلی، شکاف های باند نیمه هادی حدود 0 تا 6.5 eV است.

در عایق ها، شکاف باند بسیار بزرگتر است، به طور معمول در حد بیش از 10 eV، باعث می شود که برای الکترون ها بسیار دشوار باشد که به باند رسانا تحریک شوند. در نتیجه،هدایت الکتریکی به راحتی اتفاق نمی افتد.

بنابراین، رسانایی الکتریکی منحصر به فرد نیمه هادی ها بین هادی ها و عایق ها اساساً توسط ساختار باند انرژی آنها تعیین می شود.

نمودار ساختار باند انرژی

از سیلیکون به کربید سیلیکون

نیمه هادی ها می توانند از عناصر خالص ساخته شوند، که سیلیکون و جرمنیوم رایج ترین نمونه ها هستند.آنها همچنین می توانند از مواد ترکیبی مانند کربید سیلیکون (SiC) و آرسنید گالیوم (GaAs) ساخته شوند..

دستگاه های نیمه هادی اولیه عمدتاً از جرمنیوم ساخته می شدند. بعداً، سیلیکون به گسترده ترین ماده نیمه هادی مورد استفاده قرار گرفت. با این حال، با ادامه توسعه فناوری دستگاه های مبتنی بر سیلیکون،عملکرد دستگاه به تدریج به مرزهای فیزیکی سیلیکون نزدیک شده است.

این امر فرصت های جدیدی را برای مواد نیمه هادی پیشرفته ایجاد کرده است. در میان آنها، کربید سیلیکون، یا SiC، به یکی از امیدوار کننده ترین رقبای سیلیکون سنتی تبدیل شده است.

بیایید نگاهی دقیق تر به مزایای SiC در مقایسه با Si داشته باشیم.

ساختار منحصر به فرد سی سی به آن عملکرد برتر می دهد

کربید سیلیکون یک ماده نیمه هادی ترکیبی است که از اتم های کربن و سیلیکون در نسبت 1: 1 استیکیومتریک تشکیل شده است. واحد ساختاری اساسی کریستال SiC یک ساختار چهارقلو است.مانند SiC4 یا CSi4در این ساختار، یک اتم در مرکز یک تترابیدری که توسط چهار اتم اطرافش تشکیل شده است قرار دارد.

ساختار اتمی SiC

ساختار یک ماده ویژگی های آن را تعیین می کند و ویژگی های آن کاربرد آن را تعیین می کند.دقیقا ساختار اتمی منحصر به فرد SiC است که عملکرد فیزیکی و شیمیایی عالی را به آن می دهد.

بیایید چند خاصیت کلیدی SiC را بررسی کنیم، از جمله قدرت تجزیه، فاصله باند و رسانایی حرارتی.

1. قدرت فشرده سازی بسیار بالا

سی سی سی دارای یک مقاومت تجزیه بسیار بالا است. این بدان معنی است که دستگاه های سی سی سی می توانند در حالی که همان اندازه بسته را حفظ می کنند، به ولتاژ های بالاتر مقاومت کنند.همچنین اجازه می دهد تا الزامات عایق بندی در بسته بندی را کاهش دهد در حالی که همان ولتاژ درجه بندی را حفظ می کند..

در نتیجه، SiC می تواند برای تولید قطعات با ولتاژ های مسدود کننده استفاده شود که ممکن است یک درجه بالاتر از آنچه با سیلیکون حاصل می شود باشد.

یکی از مهمترین ویژگی های یک نیمه هادی، شکاف انرژی یا شکاف باند آن است. شکاف باند در الکترون ولت یا eV اندازه گیری می شود، که در آن 1 eV تقریبا برابر با 1 است.602 × 10−19 ژول.

شکاف باند SiC حدود 3.26 eV است، در حالی که Si حدود 1.12 eV است. در مقایسه با مواد نیمه هادی سنتی مانند Si و GaAs،نیمه هادی های نسل سوم که توسط SiC نشان داده می شوند، دستگاه های الکترونیکی را قادر می سازند که به ویژه دستگاه های الکترونیکی قدرت را قادر می سازند که در ولتاژ های بالاتر کار کنند.، دمای بالاتر و فرکانس های بالاتر.

این باعث می شود دستگاه های مبتنی بر SiC سریعتر، کوچکتر و قابل اعتماد تر باشند.

3. رسانایی حرارتی بالا

رسانایی حرارتی یکی دیگر از خواص مهم مواد نیمه هادی است. هرچه رسانایی حرارتی بالاتر باشد، مواد می توانند گرمای تولید شده در طول کار را به طور موثر از بین ببرند.

این امر باعث می شود قطعات ساخته شده از نیمه هادی های رسانا با رسانایی حرارتی بالا کوچکتر باشند و به بهبود مدیریت حرارتی کل سیستم کمک کند.

رسانایی حرارتی SiC حدود 430 W/m·K است، در حالی که Si حدود 150 W/m·K است. این به SiC یک مزیت واضح در کاربردهای قدرت بالا و دمای بالا می دهد.

کربید سیلیکون به عنوان یک ماده نیمه هادی

ما قبلا در مورد بسیاری از کاربردهای سنتی SiC، از جمله مواد آتش شکن، جارو و سرامیک های کاربردی بحث کرده ایم.هیجان انگیزترین پتانسیل SiC در عملکرد آن به عنوان یک ماده نیمه هادی قدرت استفاده می شود در دستگاه هایی مانند MOSFET ها و دیود های مانع Schottky.

با تشکر از قدرت تجزیه بالا، فاصله باند گسترده، و رسانایی حرارتی عالی، SiC می تواند از مواد نیمه هادی سنتی مانند Si، Ge،و GaAs در بسیاری از کاربردهای سخت.

با پیشرفت تکنولوژی های تولید، کربید سیلیکون در حال تبدیل شدن به یک ستاره در حال ظهور در زمینه مواد نیمه هادی است.