Puslaidininkiai leidžia mūsų elektroniniams prietaisams sujungti visą pasaulį. Silicis (Si) jau seniai buvo pagrindinė puslaidininkių medžiaga, tačiau nauja alternatyva yra silicio karbidas (SiC).
Puslaidininkinės medžiagos turi unikalių savybių, tokių kaip elektros laidumas tarp izoliatoriaus ir laidininko, su abiejų savybių savybėmis; ir maža varža aukštoje temperatūroje, todėl tinka naudoti kompiuterių lustuose.
Puslaidininkių savybes galima pritaikyti pridedant priemaišų (dopingo) į jų molekulinę struktūrą. Tai pakeičia elektronų srautą per silicį ir silicio karbidą ir leidžia pritaikyti įvairioms elektroninėms programoms.
SiC įrenginiai gerokai pranoksta Si įrenginius daugeliu labai paklausių{0}}puslaidininkių charakteristikų, todėl jie yra pagrindiniai veikėjai siekiant didesnio efektyvumo ir našumo.
Kokios yra silicio karbido charakteristikos?
Dėl savo atominės struktūros silicio karbidas (SiC) turi kitokias savybes nei grynas silicis. Silicio kristalų struktūra leidžia sudaryti pagrindinę gardelę, sujungtą su keturiais gretimais silicio atomais. Tačiau silicis jungiasi su anglimi ir sudaro sandariai supakuotą tetraedrą, kuriame keturi anglies atomai yra įsiterpę į silicio atomą, todėl susidaro kristalinė struktūra, kuri padidina galios tankį, efektyvumą ir patikimumą.
Šilumos laidumas
Šilumos laidumas yra matas, kaip lengvai šiluma gali būti perduodama per medžiagą. Tai yra pagrindinė puslaidininkių charakteristika, nes ji parodo, kiek medžiaga gali efektyviai išsklaidyti šilumą (šiluma kaupiasi dėl padidėjusios galios dėl padidėjusios srovės), taip padidinant jos įtampos ir srovės pajėgumus.
Silicio šilumos laidumas 130 W/(m⋅K) yra žymiai mažesnis nei silicio karbido 490 W/(m⋅K), todėl silicio karbido puslaidininkiai gali efektyviau išsklaidyti šilumą ir atlaikyti didesnę darbinę įtampą.
Šiluminis plėtimasis
Šiluminis plėtimasis yra tada, kai dėl temperatūros pasikeitimo medžiaga keičia formą ar dydį -, bet ne fazę -, pvz., iš skysčio virsta dujomis. Dažnas pavyzdys yra karšto vandens uždėjimas ant užstrigo butelio dangtelio, kad jį būtų galima atidaryti.
Silicio karbidas turi labai mažą šiluminio plėtimosi koeficientą, o tai reiškia, kad jis gali geriau išlaikyti savo formą, stiprumą ir savybes esant aukštai temperatūrai (ir aukštai įtampai), ko silicis gali nepajėgti padaryti.
Elektrinio lauko stiprumas
Dvi kitos svarbios ir susijusios puslaidininkių savybės yra medžiagos juostos tarpas ir didžiausias elektrinio lauko stiprumas.
Puslaidininkinių medžiagų molekulėse elektronai juda tarp skirtingų energijos juostų: regionų, kuriuos jie turi užimti, nes tarp juostų nėra energijos būsenų. Juostos tarpas (arba energijos tarpas) yra energijos kiekis, reikalingas elektronams peršokti iš valentinės juostos į laidumo juostą ir taip užtikrinti elektros laidumą. Kai puslaidininkiai gauna elektros energiją ir patenka į šią laidžią būseną, jie pasižymi unikaliomis izoliatoriaus / laidininko hibridinėmis savybėmis.
Silicio karbido puslaidininkių energijos atotrūkis yra tris kartus didesnis nei silicio{0}}pagrįstų puslaidininkių, todėl jie gali atlaikyti didesnį nei silicio elektrinio lauko stiprumą ir taip veikti esant aukštesnei įtampai ir temperatūrai.
Silicio karbido puslaidininkių pranašumai
Kaip minėta pirmiau, silicio karbido puslaidininkiai turi didesnį energijos tarpą, todėl jie gali geriau atlaikyti ir išsklaidyti šilumą, palyginti su silicio{0}}puslaidininkiais. Jie taip pat turi kitų privalumų:
Didelis silicio karbido energijos tarpas yra naudingas didelės{0}}galios programose, nes dėl didesnio energijos tarpo galima naudoti mažesnius puslaidininkinius įrenginius ir didesnį veikimo našumą.
Diodui, įprastam puslaidininkiniam įtaisui, gedimo įtampa yra įtampa, kuriai esant atvirkštinė srovė gali tekėti per diodą. Dėl aukštos silicio karbido gedimo įtampos jis idealiai tinka MOSFET.
Tai veda prie kitos svarbios puslaidininkių charakteristikos MOSFET: atvirkštinis atkūrimo laikas. Jei MOSFET pereina į atvirkštinį poslinkį, laikas, per kurį grįžta į normalią būseną, vadinamas atvirkštinio atkūrimo laiku. Per tą laiką srovė gali tekėti atvirkštine kryptimi ir sistema patiria energijos praradimą. Tokiais atvejais SiC įrenginiai turi itin greitą atvirkštinį atkūrimo laiką ir nereikšmingus energijos nuostolius, o Si prietaisai to nedaro.
Silicio karbidas turi daugiau lankstumo dopingo (pridedant priemaišų) nei silicio. Jis gali būti pritaikytas taip, kad elektrą vestų tik tam tikromis sąlygomis, pvz., patiriant tam tikrą šviesos intensyvumą (infraraudonųjų, matomų ar ultravioletinių spindulių), todėl SiC puslaidininkiams suteikiama daugiau pritaikymo galimybių.
