Детали блога

Карбид кремния: от абразивного материала к полупроводнику нового поколения

Когда мы говорим о карбиде кремния, первое, что приходит на ум, — это знакомый карборундовый шлифовальный круг, который часто используют для заточки кухонных ножей. Благодаря превосходной износостойкости, высокой твердости и выдающейся высокотемпературной стабильности карбид кремния уже 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.

Что такое полупроводник?

Полупроводники являются важными компонентами практически каждой электронной схемы, с которой мы сталкиваемся. Полупроводник — это особый тип материала, электропроводность которого находится между проводимостью проводника, например металла, и изолятора, например керамики или пластика. Проводимость полупроводника также может меняться в зависимости от его рабочей температуры или примесей, введенных в процессе производства.

Классификация материалов по электропроводности

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

Как показано на схеме ниже, проводники, полупроводники и изоляторы имеют разную зонную структуру. В проводниках зона проводимости и валентная зона перекрываются или разница энергий между ними очень мала. В результате для возбуждения электронов в зоне проводимости и создания направленного тока требуется лишь небольшое количество энергии, например внешнее электрическое поле.

В полупроводниках между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, также известная как запрещенная зона. Электроны могут возбуждаться в зоне проводимости только тогда, когда они поглощают энергию, превышающую ширину запрещенной зоны. Обычно ширина запрещенной зоны полупроводника находится в диапазоне примерно от 0 до 6,5 эВ.

В изоляторах запрещенная зона намного больше, обычно порядка более 10 эВ, что очень затрудняет возбуждение электронов в зону проводимости. В результате электрическая проводимость не возникает легко.

Следовательно, уникальная электропроводность полупроводников — между проводниками и изоляторами — фундаментально определяется их зонной структурой.

Схема структуры энергетических зон

От кремния к карбиду кремния

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

Первые полупроводниковые приборы изготавливались в основном из германия. Позже кремний стал наиболее широко используемым полупроводниковым материалом. Однако по мере дальнейшего развития технологии устройств на основе кремния производительность устройств постепенно приблизилась к физическим пределам самого кремния.

Это открыло новые возможности для современных полупроводниковых материалов. Среди них карбид кремния, или SiC, стал одним из наиболее многообещающих конкурентов традиционному кремнию.

Давайте подробнее рассмотрим преимущества SiC по сравнению с Si.

Уникальная структура SiC обеспечивает превосходную производительность

Карбид кремния представляет собой сложный полупроводниковый материал, состоящий из атомов углерода и кремния в стехиометрическом соотношении 1:1. Основной структурной единицей кристалла SiC является тетраэдрическая структура, такая как SiC₄ или CSi₄. В этой структуре один атом расположен в центре тетраэдра, образованного четырьмя окружающими его атомами.

Атомная структура SiC

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

Давайте посмотрим на несколько ключевых свойств SiC, включая прочность на пробой, запрещенную зону и теплопроводность.

1. Высокая прочность при критическом пробое.

SiC имеет очень высокую критическую прочность на пробой. Это означает, что устройства SiC могут выдерживать более высокие напряжения, сохраняя при этом тот же размер корпуса. Это также позволяет снизить требования к изоляции упаковки при сохранении того же номинального напряжения.

В результате SiC можно использовать для изготовления компонентов с запирающими напряжениями, которые могут быть на порядок выше, чем те, которые достигаются с помощью кремния.

2. Широкая запрещенная зона

Одной из наиболее важных характеристик полупроводника является его энергетическая запрещенная зона, или запрещенная зона. Ширина запрещенной зоны измеряется в электрон-вольтах или эВ, где 1 эВ примерно равен 1,602 × 10⁻¹⁹ джоулей.

Ширина запрещенной зоны SiC составляет примерно 3,26 эВ, а у Si — около 1,12 эВ. По сравнению с традиционными полупроводниковыми материалами, такими как Si и GaAs, широкозонные полупроводники третьего поколения, представленные SiC, позволяют электронным устройствам, особенно силовым электронным устройствам, работать при более высоких напряжениях, более высоких температурах и более высоких частотах.

Это делает устройства на основе SiC быстрее, меньше и надежнее.

3. Высокая теплопроводность.

Теплопроводность — еще одно важное свойство полупроводниковых материалов. Чем выше теплопроводность, тем эффективнее материал может рассеивать тепло, образующееся в процессе эксплуатации.

Это позволяет уменьшить размер компонентов, изготовленных из полупроводников с высокой теплопроводностью, и помогает улучшить управление температурой всей системы.

Теплопроводность SiC составляет примерно 430 Вт/м·К, а у Si – около 150 Вт/м·К. Это дает SiC явное преимущество в приложениях с высокой мощностью и высокими температурами.

Карбид кремния как полупроводниковый материал

Мы уже обсуждали многие традиционные применения SiC, включая огнеупорные материалы, абразивы и функциональную керамику. Однако наиболее впечатляющий потенциал SiC заключается в его эффективности в качестве силового полупроводникового материала, используемого в таких устройствах, как МОП-транзисторы и диоды с барьером Шоттки.

Благодаря высокой пробойной прочности, широкой запрещенной зоне и превосходной теплопроводности SiC может превзойти традиционные полупроводниковые материалы, такие как Si, Ge и GaAs, во многих требовательных приложениях.

Поскольку производственные технологии продолжают развиваться, карбид кремния становится восходящей звездой в области полупроводниковых материалов.