Bloggegevens

Siliciumcarbide: van schurend materiaal tot halfgeleider van de volgende generatie

Als we het over siliciumcarbide hebben, is het eerste dat in ons opkomt de bekende carborundum-slijpschijf, het soort dat vaak wordt gebruikt voor het slijpen van keukenmessen. Dankzij de uitstekende slijtvastheid, hoge hardheid en uitstekende stabiliteit bij hoge temperaturen wordt siliciumcarbide al lange tijd veel gebruikt in schuurmiddelen, slijpgereedschappen, vuurvaste materialen en functionele keramiek.

In ons vorige artikel bespraken we het verhaal van siliciumcarbidekristallen als ‘liefdesedelstenen’. In dit artikel zullen we ons concentreren op siliciumcarbide als halfgeleidermateriaal.

Wat is een halfgeleider?

Halfgeleiders zijn essentiële componenten in vrijwel elk elektronisch circuit dat we tegenkomen. Een halfgeleider is een speciaal soort materiaal waarvan de elektrische geleidbaarheid tussen die van een geleider, zoals metaal, en een isolator, zoals keramiek of plastic, ligt. De geleidbaarheid van een halfgeleider kan ook veranderen afhankelijk van de bedrijfstemperatuur of de onzuiverheden die tijdens het productieproces worden geïntroduceerd.

Classificatie van materialen op basis van elektrische geleidbaarheid

Strikt genomen wordt de elektrische geleidbaarheid echter bepaald door de energiebandstructuur van het materiaal. Daarom moet een nauwkeurigere definitie van een halfgeleider gebaseerd zijn op zijn bandstructuur.

Zoals in het onderstaande diagram te zien is, hebben geleiders, halfgeleiders en isolatoren verschillende energiebandstructuren. Bij geleiders overlappen de geleidingsband en de valentieband elkaar, of is het energieverschil daartussen erg klein. Als gevolg hiervan is slechts een kleine hoeveelheid energie, zoals een extern elektrisch veld, nodig om elektronen in de geleidingsband te exciteren en een gerichte stroom te genereren.

In halfgeleiders is er een verboden band, ook wel de bandafstand genoemd, tussen de geleidingsband en de valentieband. Elektronen kunnen alleen in de geleidingsband worden geëxciteerd als ze energie absorberen die groter is dan de bandafstand. Over het algemeen variëren de bandafstanden in halfgeleiders van ongeveer 0 tot 6,5 eV.

Bij isolatoren is de bandafstand veel groter, doorgaans in de orde van grootte van meer dan 10 eV, waardoor het erg moeilijk wordt voor elektronen om in de geleidingsband te worden geëxciteerd. Als gevolg hiervan treedt niet gemakkelijk elektrische geleiding op.

Daarom wordt de unieke elektrische geleidbaarheid van halfgeleiders – tussen geleiders en isolatoren – fundamenteel bepaald door hun energiebandstructuur.

Structuurdiagram van de energieband

Van silicium tot siliciumcarbide

Halfgeleiders kunnen worden gemaakt van pure elementen, waarbij silicium en germanium de meest voorkomende voorbeelden zijn. Ze kunnen ook worden gemaakt van samengestelde materialen zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumarsenide (GaAs).

Vroege halfgeleiderapparaten werden voornamelijk gemaakt van germanium. Later werd silicium het meest gebruikte halfgeleidermateriaal. Naarmate de op silicium gebaseerde apparaattechnologie zich echter bleef ontwikkelen, naderden de prestaties van het apparaat geleidelijk de fysieke grenzen van silicium zelf.

Dit heeft nieuwe mogelijkheden gecreëerd voor geavanceerde halfgeleidermaterialen. Onder hen is siliciumcarbide, of SiC, een van de meest veelbelovende concurrenten van traditioneel silicium geworden.

Laten we de voordelen van SiC vergeleken met Si eens nader bekijken.

De unieke structuur van SiC zorgt voor superieure prestaties

Siliciumcarbide is een samengesteld halfgeleidermateriaal dat bestaat uit koolstof- en siliciumatomen in een stoichiometrische verhouding van 1:1. De structurele basiseenheid van een SiC-kristal is een tetraëdrische structuur, zoals SiC₄ of CSi₄. In deze structuur bevindt één atoom zich in het midden van een tetraëder gevormd door vier omringende atomen.

Atoomstructuur van SiC

De structuur van een materiaal bepaalt zijn eigenschappen, en zijn eigenschappen bepalen de toepassingen ervan. Het is precies de unieke atomaire structuur van SiC die ervoor zorgt dat het uitstekende fysische en chemische prestaties levert.

Laten we eens kijken naar verschillende belangrijke eigenschappen van SiC, waaronder doorslagsterkte, bandafstand en thermische geleidbaarheid.

1. Hoge kritische doorslagsterkte

SiC heeft een zeer hoge kritische doorslagsterkte. Dit betekent dat SiC-apparaten hogere spanningen kunnen weerstaan ​​met behoud van dezelfde verpakkingsgrootte. Het zorgt ook voor verminderde isolatie-eisen in verpakkingen, terwijl dezelfde spanningswaarde behouden blijft.

Als gevolg hiervan kan SiC worden gebruikt om componenten te vervaardigen met blokkeerspanningen die een orde van grootte hoger kunnen zijn dan die welke met silicium kunnen worden bereikt.

2. Brede bandafstand

Een van de belangrijkste kenmerken van een halfgeleider is de energiekloof of bandkloof. De bandafstand wordt gemeten in elektronvolt, of eV, waarbij 1 eV ongeveer gelijk is aan 1,602 × 10⁻¹⁹ joule.

De bandafstand van SiC bedraagt ​​ongeveer 3,26 eV, terwijl die van Si ongeveer 1,12 eV bedraagt. Vergeleken met traditionele halfgeleidermaterialen zoals Si en GaAs, zorgen halfgeleiders met een brede bandafstand van de derde generatie, vertegenwoordigd door SiC, ervoor dat elektronische apparaten, vooral vermogenselektronische apparaten, kunnen werken bij hogere spanningen, hogere temperaturen en hogere frequenties.

Dit maakt SiC-gebaseerde apparaten sneller, kleiner en betrouwbaarder.

3. Hoge thermische geleidbaarheid

Thermische geleidbaarheid is een andere belangrijke eigenschap van halfgeleidermaterialen. Hoe hoger de thermische geleidbaarheid, hoe effectiever het materiaal de tijdens bedrijf gegenereerde warmte kan afvoeren.

Hierdoor kunnen componenten gemaakt van halfgeleiders met een hoge thermische geleidbaarheid kleiner zijn en wordt het thermische beheer van het totale systeem verbeterd.

De thermische geleidbaarheid van SiC bedraagt ​​ongeveer 430 W/m·K, terwijl die van Si ongeveer 150 W/m·K bedraagt. Dit geeft SiC een duidelijk voordeel bij toepassingen met hoog vermogen en hoge temperaturen.

Siliciumcarbide als halfgeleidermateriaal

We hebben al veel traditionele toepassingen van SiC besproken, waaronder vuurvaste materialen, schuurmiddelen en functionele keramiek. Het meest opwindende potentieel van SiC ligt echter in de prestaties ervan als vermogenshalfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt in apparaten zoals MOSFET's en Schottky-barrièrediodes.

Dankzij de hoge doorslagsterkte, brede bandafstand en uitstekende thermische geleidbaarheid kan SiC in veel veeleisende toepassingen beter presteren dan traditionele halfgeleidermaterialen zoals Si, Ge en GaAs.

Naarmate productietechnologieën zich verder ontwikkelen, wordt siliciumcarbide een rijzende ster op het gebied van halfgeleidermaterialen.