Bloggegevens

Als mensen de term horensiliciumcarbide, ofSiCHet eerste dat in je opkomt is een slijpschijf van siliciumcarbide, beter bekend als carborundum. Vanwege zijn uitstekende slijtvastheid, hoge hardheid en hoge temperatuurbestendigheid wordt siliciumcarbide lange tijd veel gebruikt in schuurmiddelen, slijpgereedschappen, vuurvaste materialen en functionele keramiek.

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

Wat is een halfgeleider?

Halfgeleiders zijn essentiële componenten in vrijwel elk elektronisch circuit. 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 variëren afhankelijk van de bedrijfstemperatuur of de onzuiverheden die tijdens het fabricageproces worden geïntroduceerd.

Classificatie van materialen op basis van elektrische geleidbaarheid

Strikt genomen wordt de elektrische geleidbaarheid bepaald door destructuur van de energiebandenvan een materiaal. Daarom moet de standaarddefinitie van een halfgeleider worden uitgelegd vanuit het perspectief van energiebanden.

Zoals weergegeven in het energiebanddiagram van geleiders, halfgeleiders en isolatoren overlappen de geleidingsband en de valentieband van een geleider elkaar. Het energieverschil tussen de substructuren van de banden is erg klein, dus er is slechts een kleine hoeveelheid energie, zoals een extern elektrisch veld, nodig om elektronen in de geleidingsband te exciteren en een gerichte elektrische stroom te vormen.

Een halfgeleider heeft daarentegen een verboden band, of bandafstand, tussen de geleidingsband en de valentieband. Elektronen moeten energie ontvangen die groter is dan de bandafstand om in de geleidingsband te worden geëxciteerd. Over het algemeen varieert de bandafstand van halfgeleiders van 0 tot 6,5 eV. Isolatoren hebben echter een zeer grote bandafstand, gewoonlijk in de orde van grootte van meer dan 10 eV, waardoor het voor elektronen erg moeilijk wordt om in de geleidingsband te worden geëxciteerd. Als gevolg hiervan geleiden isolatoren niet gemakkelijk elektriciteit.

Hieruit blijkt dat de bijzondere geleidbaarheid van halfgeleiders, die tussen geleiders en isolatoren ligt, wordt bepaald door hun energiebandstructuur.

Structuurdiagram van de energieband

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

Vroege halfgeleiderapparaten werden voornamelijk gemaakt van germanium. Later werd silicium het meest gebruikte halfgeleidermateriaal. Naarmate de prestaties van op silicium gebaseerde apparaten zich echter bleven ontwikkelen, naderde het geleidelijk de fysieke grenzen van silicium zelf. Als gevolg hiervan komen nieuwe materialen naar voren als sterke concurrenten van silicium, en siliciumcarbide is een van de meest veelbelovende daarvan.

Laten we nu eens kijken naar de voordelen van SiC vergeleken met silicium.

De unieke structuur van SiC bepaalt de superieure eigenschappen ervan

SiC is een samengesteld halfgeleidermateriaal dat bestaat uit koolstofatomen 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 dicht opeengepakte structuur vormen vier siliciumatomen een tetraëder, met één koolstofatoom in het midden.

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 het uitstekende fysische en chemische eigenschappen geeft.

Hieronder staan ​​enkele belangrijke eigenschappen van SiC, waaronder kritische doorslagsterkte, bandafstand en thermische geleidbaarheid.

1. Hoge kritische doorslagsterkte

SiC heeft een zeer hoge kritische doorslagsterkte. Dit betekent dat het bestand is tegen hogere spanningen, terwijl dezelfde nominale spanning behouden blijft en de isolatievereisten in de behuizing worden verminderd. Het maakt het ook mogelijk dat componenten blokkeerspanningen bereiken die een orde van grootte hoger kunnen zijn dan die mogelijk zijn met silicium, zonder de verpakkingsgrootte aanzienlijk te vergroten.

Bron afbeelding: internet

2. Brede bandafstand

Een van de belangrijkste kenmerken van een halfgeleider is zijnenergiekloof, ook bekend als deband kloof. De bandafstand wordt gemeten in elektronvolt, of eV, waarbij 1 eV ongeveer gelijk is aan 1,602 × 10⁻¹⁹ joule.

De bandkloof van SiC is ongeveer3,26 eV, terwijl die van silicium ongeveer is1,12 eV. Vergeleken met traditionele halfgeleidermaterialen zoals silicium en GaAs, zorgen halfgeleiders met een brede bandafstand van de derde generatie, vertegenwoordigd door SiC, ervoor dat elektronische producten, vooral vermogenselektronische apparaten, kunnen werken bij hogere spanningen, hogere temperaturen en hogere frequenties. Dit maakt apparaten sneller, kleiner en betrouwbaarder.

Bron afbeelding: internet

3. Hoge thermische geleidbaarheid

Thermische geleidbaarheid is een belangrijke eigenschap van halfgeleidermaterialen. Hoe hoger de thermische geleidbaarheid, hoe gemakkelijker het voor de halfgeleider is om de tijdens bedrijf gegenereerde warmte af te voeren.

Hierdoor kunnen componenten gemaakt van materialen met een goede thermische geleidbaarheid kleiner zijn en wordt het thermische beheer van het hele systeem verbeterd. De thermische geleidbaarheid van SiC is ongeveer430 W/m·K, terwijl die van silicium ongeveer is150 W/m·K.

Bron afbeelding: internet

Siliciumcarbide als halfgeleider

We hebben al veel toepassingen van SiC besproken, waaronder vuurvaste materialen, schuurmiddelen en functionele keramiek. De meest opwindende toepassing van SiC ligt echter in de prestaties ervan als vermogenshalfgeleidermateriaal voor apparaten zoalsMOSFET'sEnSchottky-barrièrediodes (SBD's).

Dankzij de hoge doorslagsterkte, brede bandafstand en uitstekende thermische geleidbaarheid kan SiC in veel veeleisende toepassingen beter presteren dan materialen zoals silicium, germanium en galliumarsenide.

Naarmate productietechnologieën zich verder ontwikkelen, stijgt siliciumcarbide snel als een veelbelovende nieuwe ster op het gebied van halfgeleidermaterialen.