Polprevodniki omogočajo našim elektronskim napravam, da povezujejo ves svet. Silicij (Si) je bil dolgo primarni material za polprevodnike, vendar je nova alternativa silicijev karbid (SiC).
Polprevodniški materiali imajo edinstvene lastnosti, kot je električna prevodnost med izolatorjem in prevodnikom, z lastnostmi obeh; in nizko upornost pri visokih temperaturah, zaradi česar so primerni za uporabo v računalniških čipih.
Lastnosti polprevodnikov je mogoče prilagoditi z dodajanjem nečistoč (doping) njihovi molekularni strukturi. To spremeni pot toka elektronov skozi silicij in silicijev karbid ter omogoča prilagoditev za različne elektronske aplikacije.
Naprave SiC daleč prekašajo naprave Si v številnih zelo{0}}iskanih polprevodniških lastnostih, zaradi česar so ključni akter pri iskanju večje učinkovitosti in zmogljivosti.
Kakšne so značilnosti silicijevega karbida?
Zaradi svoje atomske strukture ima silicijev karbid (SiC) drugačne lastnosti kot čisti silicij. Kristalna struktura silicija mu omogoča, da tvori osnovno mrežo, povezano s štirimi sosednjimi atomi silicija. Vendar pa se silicij združi z ogljikom in tvori tesno zbit tetraeder, v katerem so štirje atomi ogljika vmešani z atomom silicija, kar ima za posledico kristalno strukturo, ki poveča gostoto moči, učinkovitost in zanesljivost.
Toplotna prevodnost
Toplotna prevodnost je merilo, kako zlahka se lahko toplota prenaša skozi material. To je ključna značilnost polprevodnikov, saj kaže, v kolikšni meri je material sposoben učinkovito odvajati toploto (akumulacija toplote zaradi povečane moči kot posledice povečanega toka), s čimer se povečajo njegove napetostne in tokovne zmogljivosti.
Toplotna prevodnost silicija 130 W/(m⋅K) je znatno nižja od 490 W/(m⋅K) silicijevega karbida, kar omogoča, da polprevodniki iz silicijevega karbida učinkoviteje odvajajo toploto in prenesejo višje delovne napetosti.
Toplotna ekspanzija
Toplotna ekspanzija je, ko material spremeni obliko ali velikost -, vendar ne faze - zaradi spremembe temperature, na primer iz tekočine v plin. Pogost primer je nanos vroče vode na zataknjen pokrov steklenice, da se razširi za odpiranje.
Silicijev karbid ima zelo nizek koeficient toplotnega raztezanja, kar pomeni, da je bolj sposoben ohraniti svojo obliko, trdnost in lastnosti pri visokih temperaturah (in visokih napetostih), česar silicij morda ne zmore.
Električna poljska jakost
Dve drugi kritični in sorodni lastnosti polprevodnika sta pasovna vrzel materiala in največja električna poljska jakost.
V molekulah polprevodniških materialov se elektroni gibljejo med različnimi energijskimi pasovi: regijami, ki jih morajo zasesti, ker med pasovi ni energijskih stanj. Pasovna vrzel (ali energijska vrzel) je količina energije, ki je potrebna, da elektroni preskočijo iz valenčnega pasu v prevodni pas in tako omogočijo električno prevodnost. Ko polprevodniki prejmejo električno energijo in preidejo v to prevodno stanje, pokažejo edinstvene hibridne lastnosti izolator/prevodnik.
Polprevodniki iz silicijevega karbida imajo trikrat večjo energijsko vrzel kot polprevodniki na osnovi silicija-, kar jim omogoča, da prenesejo višje električne poljske jakosti kot silicij in tako delujejo pri višjih napetostih in temperaturah.
Prednosti polprevodnikov iz silicijevega karbida
Kot je navedeno zgoraj, imajo polprevodniki iz silicijevega karbida večjo energijsko vrzel, kar jim omogoča, da bolje prenašajo in odvajajo toploto v primerjavi s polprevodniki na osnovi silicija-. Ponujajo tudi druge prednosti:
Velika energijska vrzel silicijevega karbida je uporabna pri-aplikacijah z visoko močjo, ker večja energijska vrzel omogoča manjše polprevodniške naprave in večjo zmogljivost delovanja.
Pri diodi, običajni polprevodniški napravi, je prebojna napetost napetost, pri kateri lahko skozi diodo teče povratni tok. Zaradi visoke prebojne napetosti silicijevega karbida je idealen za MOSFET-je.
To vodi do druge pomembne polprevodniške značilnosti v MOSFET-ih: povratnega obnovitvenega časa. Če MOSFET preide v obratno prednapetost, se čas, ki je potreben, da se vrne v normalno stanje, imenuje čas povratne obnovitve. V tem času lahko tok teče v obratni smeri in sistem doživi izgubo energije. V teh primerih imajo naprave SiC izjemno hiter povratni čas obnovitve in zanemarljivo izgubo energije, medtem ko naprave Si ne.
Silicijev karbid ima večjo prilagodljivost pri dopiranju (dodajanje nečistoč) kot silicij. Prilagoditi ga je mogoče tako, da prevaja elektriko samo pod določenimi pogoji, kot je doživljanje določene jakosti svetlobe (infrardeče, vidne ali ultravijolične), kar daje polprevodnikom SiC več aplikacij.
