نیمه هادی ها دستگاه های الکترونیکی ما را قادر می سازند تا کل جهان را به هم متصل کنند. سیلیکون (Si) برای مدت طولانی ماده اولیه برای نیمه هادی ها بوده است، اما جایگزین جدید کاربید سیلیکون (SiC) است.
مواد نیمه هادی دارای خواص منحصر به فردی هستند، مانند رسانایی الکتریکی بین عایق و هادی، با خواص هر دو. و مقاومت کم در دماهای بالا، آنها را برای استفاده در تراشه های کامپیوتری مناسب می کند.
خواص نیمه هادی ها را می توان با افزودن ناخالصی ها (دوپینگ) به ساختار مولکولی آنها سفارشی کرد. این امر مسیر جریان الکترون ها را از طریق سیلیکون و کاربید سیلیکون تغییر می دهد و امکان سفارشی سازی برای انواع کاربردهای الکترونیکی را فراهم می کند.
دستگاه‌های SiC در بسیاری از ویژگی‌های نیمه‌رسانا{0}}به‌شدت از دستگاه‌های Si پیشی می‌گیرند، و آنها را به بازیگری کلیدی در تلاش برای کارایی و عملکرد بیشتر تبدیل می‌کند.
ویژگی های کاربید سیلیکون چیست؟
کاربید سیلیکون (SiC) به دلیل ساختار اتمی خود، خواص متفاوتی نسبت به سیلیکون خالص دارد. ساختار کریستالی سیلیکون به آن اجازه می دهد تا یک شبکه اصلی متصل به چهار اتم سیلیکون همسایه را تشکیل دهد. با این حال، سیلیکون با کربن ترکیب می‌شود و یک چهار وجهی فشرده را تشکیل می‌دهد که در آن چهار اتم کربن با یک اتم سیلیکون پراکنده شده‌اند و در نتیجه ساختار کریستالی ایجاد می‌شود که چگالی توان، کارایی و قابلیت اطمینان را به حداکثر می‌رساند.
هدایت حرارتی
رسانایی حرارتی معیاری است که نشان می دهد چقدر گرما می تواند از طریق یک ماده به راحتی منتقل شود. این یک ویژگی کلیدی نیمه هادی ها است زیرا نشان می دهد که ماده تا چه حد می تواند گرما را به طور موثر دفع کند (تجمع گرما به دلیل افزایش توان در نتیجه افزایش جریان)، در نتیجه قابلیت های ولتاژ و جریان آن افزایش می یابد.
رسانایی حرارتی سیلیکون 130 W/(m⋅K) به طور قابل توجهی کمتر از 490 W/(m⋅K) کاربید سیلیکون است و به نیمه هادی های کاربید سیلیکون اجازه می دهد گرما را به طور موثرتر دفع کنند و ولتاژهای کاری بالاتر را تحمل کنند.
انبساط حرارتی
انبساط حرارتی زمانی است که یک ماده به دلیل تغییر دما، مانند از مایع به گاز، شکل یا اندازه - را تغییر می‌دهد اما فاز - را تغییر نمی‌دهد. یک مثال معمول استفاده از آب داغ به درب بطری چسبیده برای باز کردن آن است.
کاربید سیلیکون دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی است، به این معنی که در دماهای بالا (و ولتاژهای بالا) می تواند شکل، استحکام و خواص خود را حفظ کند، که سیلیکون ممکن است قادر به انجام آن نباشد.
قدرت میدان الکتریکی
دو ویژگی حیاتی و مرتبط دیگر نیمه هادی، شکاف باند ماده و حداکثر قدرت میدان الکتریکی است.
در مولکول‌های مواد نیمه‌رسانا، الکترون‌ها بین باندهای انرژی مختلف حرکت می‌کنند: مناطقی که باید آنها را اشغال کنند زیرا هیچ حالت انرژی بین باندها وجود ندارد. شکاف نواری (یا شکاف انرژی) مقدار انرژی مورد نیاز برای پرش الکترون ها از باند ظرفیت به نوار رسانایی است و در نتیجه امکان هدایت الکتریکی را فراهم می کند. هنگامی که نیمه هادی ها انرژی الکتریکی دریافت می کنند و وارد این حالت رسانا می شوند، ویژگی های ترکیبی عایق/رسانا منحصر به فردی را از خود نشان می دهند.
نیمه هادی های کاربید سیلیکون سه برابر بیشتر از نیمه هادی های مبتنی بر سیلیکون{0}}فاصله انرژی دارند، که به آنها اجازه می دهد در برابر قدرت میدان الکتریکی بالاتری نسبت به سیلیکون مقاومت کنند و بنابراین در ولتاژها و دماهای بالاتر کار کنند.
مزایای نیمه هادی سیلیکون کاربید
همانطور که در بالا ذکر شد، نیمه هادی های کاربید سیلیکون دارای شکاف انرژی بزرگ تری هستند که به آن ها اجازه می دهد در مقایسه با نیمه هادی های مبتنی بر{0} سیلیکون، گرما را بهتر تحمل و دفع کنند. آنها همچنین مزایای دیگری را ارائه می دهند:
شکاف انرژی بالای کاربید سیلیکون در کاربردهای{0}قدرت بالا مفید است زیرا شکاف انرژی بالاتر به دستگاه‌های نیمه‌رسانای کوچک‌تر و عملکرد عملکرد بالاتر اجازه می‌دهد.
برای یک دیود، یک دستگاه نیمه هادی رایج، ولتاژ شکست ولتاژی است که در آن جریان اعمال شده معکوس می تواند از دیود عبور کند. ولتاژ شکست زیاد کاربید سیلیکون آن را برای ماسفت ها ایده آل می کند.
این منجر به یکی دیگر از ویژگی های نیمه هادی مهم در ماسفت ها می شود: زمان بازیابی معکوس. اگر یک ماسفت وارد بایاس معکوس شود، مدت زمانی که طول می کشد تا به حالت عادی خود بازگردد، زمان بازیابی معکوس نامیده می شود. در این مدت، جریان می تواند در جهت معکوس جریان یابد و سیستم از دست دادن انرژی را تجربه کند. در این موارد، دستگاه‌های SiC زمان بازیابی معکوس بسیار سریع و اتلاف انرژی ناچیز دارند، در حالی که دستگاه‌های Si اینطور نیستند.
کاربید سیلیکون انعطاف پذیری بیشتری در دوپینگ (افزودن ناخالصی ها) نسبت به سیلیکون دارد. می توان آن را برای هدایت الکتریسیته فقط در شرایط خاص، مانند تجربه شدت نور خاص (مادون قرمز، مرئی، یا فرابنفش)، که به نیمه هادی های SiC کاربرد بیشتری می دهد، طراحی کرد.
