Halvledare gör det möjligt för våra elektroniska enheter att ansluta hela världen. Kisel (Si) har länge varit det primära materialet för halvledare, men ett nytt alternativ är kiselkarbid (SiC).
Halvledarmaterial har unika egenskaper, såsom elektrisk ledningsförmåga mellan den hos en isolator och en ledare, med egenskaper hos båda; och låg resistivitet vid höga temperaturer, vilket gör dem lämpliga för användning i datorchips.
Halvledares egenskaper kan anpassas genom att lägga till föroreningar (dopning) till deras molekylära struktur. Detta förändrar elektronernas flödesväg genom kisel och kiselkarbid och möjliggör anpassning för en mängd olika elektroniska applikationer.
SiC-enheter överträffar vida Si-enheter i många mycket eftertraktade-halvledaregenskaper, vilket gör dem till en nyckelspelare i strävan efter större effektivitet och prestanda.
Vad är kiselkarbidegenskaper?
På grund av sin atomära struktur har kiselkarbid (SiC) andra egenskaper än rent kisel. Kiselkristallstrukturen gör att den kan bilda ett grundläggande gitter kopplat till fyra angränsande kiselatomer. Men kisel kombineras med kol för att bilda en tätt packad tetraeder där fyra kolatomer är varvade med en kiselatom, vilket resulterar i en kristallin struktur som maximerar effekttäthet, effektivitet och tillförlitlighet.
Värmeledningsförmåga
Värmeledningsförmåga är ett mått på hur lätt värme kan överföras genom ett material. Detta är en nyckelegenskap för halvledare eftersom det indikerar i vilken utsträckning ett material kan avleda värme effektivt (värmeuppbyggnad på grund av ökad effekt som ett resultat av ökad ström), och därigenom ökar dess spännings- och strömkapacitet.
Silikons värmeledningsförmåga på 130 W/(m⋅K) är betydligt lägre än kiselkarbidens 490 W/(m⋅K), vilket gör att kiselkarbidhalvledare kan avleda värme mer effektivt och motstå högre driftspänningar.
Termisk expansion
Termisk expansion är när ett material ändrar form eller storlek - men inte fas - på grund av en temperaturförändring, till exempel från en vätska till en gas. Ett vanligt exempel är att applicera varmt vatten på en flasklock som har fastnat för att expandera den för öppning.
Kiselkarbid har en mycket låg värmeutvidgningskoefficient, vilket gör att den bättre kan behålla sin form, styrka och egenskaper vid höga temperaturer (och höga spänningar), vilket kisel kanske inte klarar av.
Elektrisk fältstyrka
Två andra kritiska och relaterade halvledaregenskaper är materialets bandgap och maximala elektriska fältstyrka.
I molekyler av halvledarmaterial rör sig elektroner mellan olika energiband: regioner de måste uppta eftersom det inte finns några energitillstånd mellan banden. Bandgapet (eller energigapet) är mängden energi som krävs för att elektroner ska hoppa från valensbandet till ledningsbandet, vilket möjliggör elektrisk ledningsförmåga. När halvledare tar emot elektrisk energi och går in i detta ledande tillstånd, uppvisar de unika isolator/ledarhybridegenskaper.
Kiselkarbidhalvledare har ett energigap som är tre gånger större än det för kisel-baserade halvledare, vilket gör att de kan motstå högre elektriska fältstyrkor än kisel och därmed arbeta vid högre spänningar och temperaturer.
Fördelar med kiselkarbidhalvledare
Som nämnts ovan har kiselkarbidhalvledare ett större energigap, vilket gör att de bättre tål och avleder värme jämfört med kisel-baserade halvledare. De erbjuder även andra fördelar:
Det höga energigapet hos kiselkarbid är användbart i hög-effekttillämpningar eftersom det högre energigapet möjliggör mindre halvledarenheter och högre driftsprestanda.
För en diod, en vanlig halvledarenhet, är genombrottsspänningen den spänning vid vilken en omvänd applicerad ström kan flyta genom dioden. Den höga genomslagsspänningen hos kiselkarbid gör den idealisk för MOSFET:er.
Detta leder till en annan viktig halvledaregenskap i MOSFET:er: omvänd återhämtningstid. Om en MOSFET går in i omvänd förspänning kallas tiden det tar att återgå till sitt normala tillstånd omvänd återställningstid. Under denna tid kan ström flyta i motsatt riktning och systemet upplever energiförlust. I dessa fall har SiC-enheter extremt snabba omvända återhämtningstider och försumbar energiförlust, medan Si-enheter inte har det.
Kiselkarbid har mer flexibilitet vid dopning (tillför föroreningar) än kisel. Den kan skräddarsys för att leda elektricitet endast under specifika förhållanden, som att uppleva en specifik ljusintensitet (infrarött, synligt eller ultraviolett), vilket ger SiC-halvledare fler tillämpningar.
