Детали блога

Силиконовый карбид: от абразивного материала к полупроводнику нового поколения

Когда мы говорим о карбиде кремния, первое, что может приходить на ум, - это знакомый карборундовый шлифовальный колес, который часто используется для заточения кухонных ножей.Благодаря его превосходной износостойкости, высокая твердость и выдающаяся высокотемпературная устойчивость, карбид кремния давно широко используется в абразивах, шлифовальных инструментах, огнеупорных материалах и функциональной керамике.

В нашей предыдущей статье мы обсуждали историю кристаллов карбида кремния как драгоценных камней любви. В этой статье мы сосредоточимся на карбиде кремния как полупроводниковом материале.

Полупроводники являются важными компонентами практически в каждой электронной схеме, с которой мы сталкиваемся.как металл., и изолятор, например керамический или пластиковый.Проводимость полупроводника также может меняться в зависимости от его рабочей температуры или примеси, введенной во время производственного процесса.

Однако, строго говоря, электропроводность определяется структурой энергетической полосы материала.более точное определение полупроводника должно основываться на его структуре полосы.

Как показано на диаграмме ниже, проводники, полупроводники и изоляторы имеют различные структуры энергетических полос.или разница в энергии между ними очень малаВ результате требуется только небольшое количество энергии, например, внешнее электрическое поле, чтобы возбудить электроны в проводную полосу и генерировать направленный ток.

В полупроводниках между проводящей полосой и валентной полосой существует запрещенная полоса, также известная как полосный разрыв.Электроны могут быть возбуждены в проводную полосу только тогда, когда они поглощают энергию больше полосы разрываВ общем, полосы полупроводников варьируются примерно от 0 до 6,5 eV.

В изоляторах разрыв в полосе значительно больше, обычно порядка более 10 eV, что очень затрудняет возбуждение электронов в проводящую полосу.электрическая проводимость не происходит легко.

Таким образом, уникальная электрическая проводимость полупроводников между проводниками и изоляторами определяется их структурой энергетической полосы.

Диаграмма структуры энергетической полосы

От кремния к карбиду кремния

Полупроводники могут быть сделаны из чистых элементов, наиболее распространенными примерами являются кремний и германий.Они также могут быть изготовлены из соединенных материалов, таких как карбид кремния (SiC) и арсенид галлия (GaAs).

Ранние полупроводниковые устройства в основном изготавливались из германия.производительность устройства постепенно приближается к физическим пределам самого кремния.

Это создало новые возможности для разработки передовых полупроводниковых материалов, среди которых карбид кремния, или SiC, стал одним из наиболее перспективных конкурентов традиционному кремнию.

Давайте рассмотрим более подробно преимущества SiC по сравнению с Si.

Уникальная структура SiC дает ему превосходную производительность

Карбид кремния представляет собой соединенный полупроводниковый материал, состоящий из атомов углерода и кремния в соотношении 1:1.такие как SiC4 или CSi4В этой структуре один атом находится в центре тетраэдра, образованного четырьмя окружающими атомами.

Атомная структура SiC

Структура материала определяет его свойства, а его свойства определяют его применение.Именно уникальная атомная структура SiC дает ему отличные физические и химические характеристики.

Давайте рассмотрим несколько ключевых свойств SiC, включая прочность разрушения, разрыв в полосе и теплопроводность.

1Высокая устойчивость к критическому разрушению

SiC имеет очень высокую критическую прочность на разрыв. Это означает, что устройства SiC могут выдерживать более высокое напряжение при сохранении того же размера упаковки.Это также позволяет уменьшить требования изоляции в упаковке, сохраняя при этом одно и то же номинальное напряжение..

В результате SiC может использоваться для производства компонентов с блокирующим напряжением, которое может быть на порядок выше, чем достижимо кремниевым.

Одной из важнейших характеристик полупроводника является его энергетический разрыв, или разрыв в полосе.602 × 10−19 джоулей.

Пробел в диапазоне SiC составляет примерно 3,26 eV, в то время как Si составляет примерно 1,12 eV. По сравнению с традиционными полупроводниковыми материалами, такими как Si и GaAs,полупроводники третьего поколения с широким диапазоном, представленные SiC, позволяют электронным устройствам, особенно питательным, работать при более высоких напряжениях, более высокие температуры и более высокие частоты.

Это делает устройства на базе SiC быстрее, меньше и более надежными.

3Высокая теплопроводность

Теплопроводность - еще одно важное свойство полупроводниковых материалов. Чем выше теплопроводность, тем эффективнее материал может рассеивать тепло, вырабатываемое во время работы.

Это позволяет компонентам, изготовленным из полупроводников с высокой теплопроводностью, быть меньше и помогает улучшить тепловое управление всей системы.

Теплопроводность SiC составляет около 430 W/m·K, тогда как теплопроводность Si - около 150 W/m·K. Это дает SiC четкое преимущество в высокомощных и высокотемпературных приложениях.

Карбид кремния как полупроводниковый материал

Мы уже обсуждали многие традиционные применения SiC, включая огнеупорные материалы, абразивы и функциональную керамику.Самый интересный потенциал SiC заключается в его производительности в качестве мощного полупроводникового материала, используемого в таких устройствах, как MOSFET и барьерные диоды Шоттки.

Благодаря своей высокой прочности разрушения, широкому диапазону разрыва и отличной теплопроводности, SiC может превосходить традиционные полупроводниковые материалы, такие как Si, Ge,и GaAs во многих требовательных приложениях.

По мере развития технологий производства карбид кремния становится восходящей звездой в области полупроводниковых материалов.