A félvezetők lehetővé teszik, hogy elektronikus eszközeink összekapcsolják az egész világot. A szilícium (Si) régóta a félvezetők elsődleges anyaga, de egy új alternatíva a szilícium-karbid (SiC).
A félvezető anyagok egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a szigetelő és a vezető közötti elektromos vezetőképesség, mindkettő tulajdonságaival; és alacsony ellenállás magas hőmérsékleten, így alkalmasak számítógépes chipekben való használatra.
A félvezetők tulajdonságai testreszabhatók szennyeződések (dopping) hozzáadásával a molekulaszerkezetükhöz. Ez megváltoztatja az elektronok áramlási útját a szilíciumon és a szilícium-karbidon keresztül, és lehetővé teszi a testreszabást különféle elektronikus alkalmazásokhoz.
A SiC-eszközök sok nagyon keresett{0}}félvezető-jellemzőjükben messze felülmúlják az Si-eszközöket, így kulcsszerepet játszanak a nagyobb hatékonyság és teljesítmény elérésében.
Mik a szilícium-karbid jellemzői?
Atomszerkezetének köszönhetően a szilícium-karbid (SiC) más tulajdonságokkal rendelkezik, mint a tiszta szilícium. A szilícium kristályszerkezete lehetővé teszi, hogy négy szomszédos szilíciumatomhoz kapcsolódó alaprácsot képezzen. Azonban a szilícium a szénnel egyesülve egy szorosan tömörített tetraédert hoz létre, amelyben négy szénatom és egy szilíciumatom van átszórva, így olyan kristályos szerkezet jön létre, amely maximalizálja a teljesítménysűrűséget, a hatékonyságot és a megbízhatóságot.
Hővezetőképesség
A hővezető képesség annak mértéke, hogy milyen könnyen átadható a hő egy anyagon. Ez a félvezetők kulcsfontosságú jellemzője, mivel jelzi, hogy egy anyag milyen mértékben képes hatékonyan elvezetni a hőt (hőfelhalmozódás a megnövekedett áram hatására megnövekedett teljesítmény miatt), ezáltal növelve a feszültség- és áramképességét.
A szilícium 130 W/(m⋅K) hővezető képessége lényegesen alacsonyabb, mint a szilícium-karbid 490 W/(m⋅K), így a szilícium-karbid félvezetők hatékonyabban oszlatják el a hőt és ellenállnak a magasabb üzemi feszültségeknek.
Hőtágulás
Hőtágulásról akkor beszélünk, amikor az anyag alakja vagy mérete - megváltozik, fázisa - azonban nem változik a hőmérséklet változása miatt, például folyadékból gázzá. Gyakori példa az, hogy forró vizet kennek a beragadt palack kupakjára, hogy kinyithassák.
A szilícium-karbid nagyon alacsony hőtágulási együtthatóval rendelkezik, ami azt jelenti, hogy jobban meg tudja őrizni alakját, szilárdságát és tulajdonságait magas hőmérsékleten (és nagy feszültségen), amire a szilícium nem biztos, hogy képes.
Elektromos térerősség
Két másik kritikus és kapcsolódó félvezető tulajdonság az anyag sávszélessége és maximális elektromos térerőssége.
A félvezető anyagok molekuláiban az elektronok különböző energiasávok között mozognak: azokat a régiókat kell elfoglalniuk, mert a sávok között nincs energiaállapot. A sávrés (vagy energiarés) az az energiamennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy az elektronok a vegyértéksávból a vezetési sávba ugorjanak, ezáltal lehetővé téve az elektromos vezetőképességet. Amikor a félvezetők elektromos energiát kapnak, és ebbe a vezető állapotba kerülnek, egyedi szigetelő/vezető hibrid tulajdonságokat mutatnak.
A szilícium-karbid félvezetők energiarése háromszor nagyobb, mint a szilícium{0}}alapú félvezetőké, ami lehetővé teszi, hogy nagyobb elektromos térerősségnek ellenálljanak, mint a szilícium, és így magasabb feszültségen és hőmérsékleten működjenek.
A szilícium-karbid félvezető előnyei
Amint fentebb említettük, a szilícium-karbid félvezetők nagyobb energiaréssel rendelkeznek, ami lehetővé teszi számukra, hogy jobban ellenálljanak és elvigyék a hőt, mint a szilícium{0}}alapú félvezetők. Egyéb előnyöket is kínálnak:
A szilícium-karbid nagy energiarése hasznos a nagy teljesítményű{0}}alkalmazásokban, mivel a nagyobb energiarés kisebb félvezető eszközöket és nagyobb működési teljesítményt tesz lehetővé.
Diódáknál, egy általános félvezető eszköznél a letörési feszültség az a feszültség, amelyen a fordított áram áthaladhat a diódán. A szilícium-karbid nagy áttörési feszültsége ideálissá teszi MOSFET-ekhez.
Ez egy másik fontos félvezető-jellemzőhöz vezet a MOSFET-ekben: a fordított helyreállítási időhöz. Ha egy MOSFET fordított előfeszítésbe kerül, akkor azt az időt, amely ahhoz szükséges, hogy visszatérjen a normál állapotába, fordított helyreállítási időnek nevezzük. Ezalatt az áram fordított irányban áramolhat, és a rendszer energiaveszteséget szenved. Ezekben az esetekben a SiC eszközök rendkívül gyors visszaállási idővel és elhanyagolható energiaveszteséggel rendelkeznek, míg a SiC eszközök nem.
A szilícium-karbid rugalmasabb adalékolásban (szennyeződés hozzáadása), mint a szilícium. Arra szabható, hogy csak meghatározott körülmények között vezesse az elektromosságot, például meghatározott intenzitású fény (infravörös, látható vagy ultraibolya) esetén, ami több alkalmazást tesz lehetővé a SiC-félvezetőknek.
