Polovodiče umožňujú našim elektronickým zariadeniam spojiť celý svet. Kremík (Si) je už dlho primárnym materiálom pre polovodiče, ale novou alternatívou je karbid kremíka (SiC).
Polovodičové materiály majú jedinečné vlastnosti, ako je elektrická vodivosť medzi vodivosťou izolátora a vodiča, s vlastnosťami oboch; a nízky odpor pri vysokých teplotách, vďaka čomu sú vhodné na použitie v počítačových čipoch.
Vlastnosti polovodičov je možné prispôsobiť pridaním nečistôt (dopingu) do ich molekulárnej štruktúry. To mení dráhu toku elektrónov cez kremík a karbid kremíka a umožňuje prispôsobenie pre rôzne elektronické aplikácie.
Zariadenia SiC ďaleko prevyšujú zariadenia Si v mnohých-vyhľadávaných polovodičových charakteristikách, vďaka čomu sú kľúčovým hráčom v snahe o vyššiu efektivitu a výkon.
Aké sú vlastnosti karbidu kremíka?
Karbid kremíka (SiC) má vďaka svojej atómovej štruktúre iné vlastnosti ako čistý kremík. Štruktúra kryštálov kremíka mu umožňuje vytvárať základnú mriežku spojenú so štyrmi susednými atómami kremíka. Kremík sa však spája s uhlíkom a vytvára tesne zbalený štvorsten, v ktorom sú štyri atómy uhlíka rozptýlené s atómom kremíka, čo vedie k kryštalickej štruktúre, ktorá maximalizuje hustotu energie, účinnosť a spoľahlivosť.
Tepelná vodivosť
Tepelná vodivosť je mierou toho, ako ľahko sa teplo prenáša cez materiál. Toto je kľúčová charakteristika polovodičov, pretože udáva, do akej miery je materiál schopný efektívne odvádzať teplo (akumulácia tepla v dôsledku zvýšeného výkonu v dôsledku zvýšeného prúdu), čím sa zvyšuje jeho napäťové a prúdové schopnosti.
Tepelná vodivosť kremíka 130 W/(m⋅K) je výrazne nižšia ako 490 W/(m⋅K karbidu kremíka), čo umožňuje polovodičom z karbidu kremíka efektívnejšie odvádzať teplo a odolávať vyšším prevádzkovým napätiam.
Tepelná expanzia
Tepelná rozťažnosť je, keď materiál mení tvar alebo veľkosť -, ale nie fázu - v dôsledku zmeny teploty, napríklad z kvapaliny na plyn. Bežným príkladom je nanášanie horúcej vody na zaseknutý uzáver fľaše, aby sa otvorilo.
Karbid kremíka má veľmi nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, čo znamená, že si lepšie udrží svoj tvar, pevnosť a vlastnosti pri vysokých teplotách (a vysokom napätí), čo kremík nemusí robiť.
Sila elektrického poľa
Dve ďalšie kritické a súvisiace vlastnosti polovodičov sú pásmová medzera materiálu a maximálna intenzita elektrického poľa.
V molekulách polovodičových materiálov sa elektróny pohybujú medzi rôznymi energetickými pásmami: oblasťami, ktoré musia zaberať, pretože medzi pásmi nie sú žiadne energetické stavy. Pásmová medzera (alebo energetická medzera) je množstvo energie potrebnej na to, aby elektróny preskočili z valenčného pásma do vodivého pásma, čím sa umožní elektrická vodivosť. Keď polovodiče prijímajú elektrickú energiu a vstupujú do tohto vodivého stavu, vykazujú jedinečné hybridné vlastnosti izolátor/vodič.
Polovodiče z karbidu kremíka majú energetickú medzeru trikrát väčšiu než energetická medzera polovodičov{0}}na báze kremíka, čo im umožňuje vydržať vyššiu intenzitu elektrického poľa ako kremík, a teda pracovať pri vyšších napätiach a teplotách.
Výhody polovodičov z karbidu kremíka
Ako je uvedené vyššie, polovodiče z karbidu kremíka majú väčšiu energetickú medzeru, čo im umožňuje lepšie odolávať a odvádzať teplo v porovnaní s polovodičmi na -kremíku. Ponúkajú aj ďalšie výhody:
Veľká energetická medzera karbidu kremíka je užitočná vo vysoko{0}}aplikáciách, pretože väčšia energetická medzera umožňuje menšie polovodičové zariadenia a vyšší prevádzkový výkon.
Pre diódu, bežné polovodičové zariadenie, je prierazné napätie napätie, pri ktorom môže cez diódu pretekať spätný prúd. Vysoké prierazné napätie karbidu kremíka ho robí ideálnym pre MOSFET.
To vedie k ďalšej dôležitej charakteristike polovodičov v MOSFET: reverznej dobe zotavenia. Ak MOSFET prejde do reverzného predpätia, čas potrebný na návrat do normálneho stavu sa nazýva reverzný čas zotavenia. Počas tejto doby môže prúd prúdiť v opačnom smere a systém zaznamená stratu energie. V týchto prípadoch majú SiC zariadenia extrémne rýchle reverzné časy obnovy a zanedbateľné straty energie, zatiaľ čo Si zariadenia nie.
Karbid kremíka má väčšiu flexibilitu pri dopovaní (pridávaní nečistôt) ako kremík. Môže byť prispôsobený tak, aby viedol elektrinu iba za špecifických podmienok, ako je napríklad vystavenie špecifickej intenzite svetla (infračervené, viditeľné alebo ultrafialové), čo dáva polovodičom SiC viac aplikácií.
