รายละเอียดบล็อก

ซิลิคอน คาร์ไบด: จาก วัสดุ บด ไป ยัง วัสดุ ครึ่ง ส่ง รุ่น ใหม่

เมื่อเราพูดถึงซิลิคอนคาร์ไบด์ สิ่งแรกที่อาจเกิดขึ้นในใจคือ เครื่องบดคาร์บอรันดัมที่คุ้นเคยขอบคุณความทนทานการสวมใส่ที่ดี, ความแข็งแรงสูง, และความมั่นคงในอุณหภูมิสูงที่โดดเด่น, ซิลิคอนคาร์ไบด์ได้รับการใช้อย่างแพร่หลายในวัสดุบด, เครื่องมือบด, วัสดุที่ทนไฟ, และเซรามิกที่ใช้งาน

ในบทความก่อนหน้านี้ เราพูดถึงเรื่องราวของคริสตัลซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นหินแท้ในความรัก ในบทความนี้ เราจะเน้นซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุครึ่งนํา

เซมคอนดักเตอร์เป็นองค์ประกอบสําคัญในเกือบทุกวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่เราพบกันเช่นโลหะ, และเครื่องกันไฟ เช่น เซรามิคหรือพลาสติกความสามารถในการนําของครึ่งประสาทยังสามารถเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการทํางานของมันหรือสิ่งสกปรกที่นํามาในระหว่างกระบวนการผลิต.

อย่างไรก็ตาม ในแง่เข้มงวด การนําไฟฟ้าถูกกําหนดโดยโครงสร้างแดนพลังงานของวัสดุคํานิยามที่แม่นยํากว่าของครึ่งประสาท ควรพึ่งจากโครงสร้างวงจรของมัน.

อย่างที่แสดงในแผนภูมิด้านล่าง คอนดักเตอร์, เซมคอนดักเตอร์, และไอโซเลเตอร์มีโครงสร้างวงพลังงานที่แตกต่างกัน ในคอนดักเตอร์, วงการนําและวงการวาเลนซ์ซ้อนกันหรือความแตกต่างของพลังงานระหว่างพวกมันเล็กมากผลลัพธ์คือเพียงจํานวนน้อยของพลังงาน, เช่นสนามไฟฟ้าภายนอก, ที่จําเป็นต้องตื่นเต้นอิเล็กตรอนในวงการนําและผลิตการไหลของกระแสไฟฟ้าทิศทาง.

ในเซมีคอนดักเตอร์ มีแบนด์ที่ห้าม หรือที่เรียกว่า ช่องว่างแบนด์ ระหว่างแบนด์การนําและแบนด์วาเลนซ์อิเล็กตรอนสามารถตื่นเต้นได้ในวงการนําเมื่อมันดูดซึมพลังงานที่ใหญ่กว่าช่องว่างวงโดยทั่วไป, ช่องว่างแดน semiconductor ช่วงจากประมาณ 0 ถึง 6.5 eV

ในเครื่องประกอบความละเอียด ช่องว่างในวงจรใหญ่กว่ามาก โดยปกติจะมากกว่า 10 eV ทําให้มันยากมากสําหรับอิเล็กตรอนที่จะตื่นเต้นในวงจรการนําการนําไฟฟ้าไม่ได้เกิดขึ้นง่าย.

ดังนั้น ความสามารถในการนําไฟฟ้าที่โดดเด่นของครึ่งตัวนํา ระหว่างตัวนําและตัวแยกกัน ล้วนถูกกําหนดโดยพื้นฐานโดยโครงสร้างช่วงพลังงานของพวกเขา

สัญลักษณ์โครงสร้างวงจรพลังงาน

จากซิลิคอน เป็นซิลิคอนคาร์ไบด

เซมคอนดักเตอร์สามารถถูกทําจากธาตุบริสุทธิ์ โดยมีซิลิคอนและเยอร์มาเนียมเป็นตัวอย่างที่พบได้มากที่สุดมันยังสามารถทําจากวัสดุประกอบ เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมอาร์เซนได (GaAs).

อุปกรณ์ครึ่งประสาทในยุคแรกถูกผลิตโดยหลักจากเยอร์มาเนียม ต่อมาซิลิคอนกลายเป็นวัสดุครึ่งประสาทที่ใช้กันมากที่สุดการทํางานของอุปกรณ์ได้ค่อยๆเข้าใกล้กับขีดจํากัดทางกายภาพของซิลิคอนเอง.

สิ่ง นี้ ได้ สร้าง โอกาส ใหม่ ให้ กับ วัสดุ แคร์ดอน แบบ พัฒนาการ ซึ่ง ใน หมู่ วัสดุ เหล่า นี้ ซิลิคอน คาร์ไบด์ หรือ SiC ได้ กลายเป็น หนึ่ง ใน ผู้ แข่งขัน ที่ สัญญากัน ที่ สุด กับ ซิลิคอน แบบ ปกติ

ลองดูข้อดีของ SiC เมื่อเทียบกับ Si

โครงสร้างพิเศษของ SiC ทําให้มันมีประสิทธิภาพสูง

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุครึ่งประสานที่ประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนและซิลิคอนในสัดส่วน 1: 1เช่น SiC4 หรือ CSi4ในโครงสร้างนี้อะตอมหนึ่งตั้งอยู่ใจกลางของเทตราเอเดรอนที่สร้างขึ้นจากอะตอมรอบ ๆ สี่ตัว

โครงสร้างอะตอมของ SiC

โครงสร้างของวัสดุกําหนดคุณสมบัติของมัน และคุณสมบัติของมันกําหนดการใช้งานของมันมันคือโครงสร้างอะตอมพิเศษของ SiC ที่ทําให้มันมีผลงานทางกายภาพและเคมีที่ดี.

ลองดูคุณสมบัติสําคัญของ SiC หลายอย่าง รวมถึงความแข็งแกร่งในการแตกแยก ช่องแดน และการนําความร้อน

1ความแข็งแกร่งในการทําลายที่สําคัญสูง

SiC มีความแข็งแกร่งในการแตกแยกที่สําคัญสูงมาก นั่นหมายความว่าอุปกรณ์ SiC สามารถทนความกระชับกําลังที่สูงขึ้นได้ โดยยังคงมีขนาดแพคเกจเดียวกันมันยังสามารถลดความต้องการในการปิดในบรรจุภัณฑ์โดยรักษาความแรงดันที่ระดับเดียวกัน.

ผลลัพธ์คือ SiC สามารถใช้ในการผลิตองค์ประกอบที่มีความดันปิดที่อาจสูงกว่าที่สามารถทําได้ด้วยซิลิคอน

หนึ่งในลักษณะที่สําคัญที่สุดของครึ่งประสาทคือช่องว่างพลังงาน หรือช่องว่างวงจรของมัน ช่องว่างวงจรจะวัดในอิเล็กตรอนโวลท์ หรือ eV โดยที่ 1 eV เท่ากับประมาณ 1602 × 10−19 จูล.

ช่องแบนด์ของ SiC เป็นประมาณ 3.26 eV ส่วนของ Si เป็นประมาณ 1.12 eV เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุครึ่งประสาทแบบดั้งเดิม เช่น Si และ GaAsซีซี (SiC) เป็นครึ่งตัวนํารุ่นที่สาม ที่ใช้ช่วงความถี่กว้าง ทําให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Devices) โดยเฉพาะอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงาน (Power Electronic Devices) สามารถทํางานได้ที่ความดันที่สูงขึ้น, อุณหภูมิที่สูงขึ้น และความถี่ที่สูงขึ้น

ทําให้อุปกรณ์ที่ใช้ SiC เร็วขึ้น เล็กลง และเชื่อถือได้มากขึ้น

3. การนําไฟฟ้าสูง

ความสามารถในการนําความร้อนเป็นคุณสมบัติที่สําคัญอีกอย่างของวัสดุครึ่งประสาท ยิ่งความสามารถในการนําความร้อนสูงขึ้น วัสดุจะสามารถระบายความร้อนที่เกิดจากการทํางานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น.

ทําให้องค์ประกอบที่ทําจากครึ่งประจุไฟฟ้าที่มีความสามารถในการนําไฟฟ้าสูงเล็กลง และช่วยในการปรับปรุงการจัดการความร้อนของระบบทั้งหมด

ความสามารถในการนําความร้อนของ SiC เป็นประมาณ 430 W/m·K ขณะที่ของ Si เป็นประมาณ 150 W/m·K ซึ่งทําให้ SiC มีข้อดีที่ชัดเจนในการใช้งานในพลังงานและอุณหภูมิสูง

ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นวัสดุครึ่งประสาท

เราเคยหารือเกี่ยวกับการใช้งาน SiC ในแบบประเพณีหลายอย่างแล้ว รวมถึงวัสดุที่ทนไฟ, วัสดุบด และเซรามิกที่ใช้งานได้ความสามารถที่น่าตื่นเต้นที่สุดของ SiC อยู่ที่ผลงานของมันเป็นวัสดุครึ่งประสาทพลังงานที่ใช้ในอุปกรณ์ เช่น MOSFETs และ Schottky barrier diodes.

ด้วยความแข็งแรงในการทําลายที่สูง ช่องว่างในช่วงความกว้าง และความสามารถในการนําความร้อนที่ดี SiC สามารถทําผลงานได้ดีกว่าวัสดุครึ่งประสาทแบบดั้งเดิม เช่น Si, Ge,และ GaAs ในหลายการใช้งานที่ต้องการ.

เมื่อเทคโนโลยีการผลิตยังคงเจริญเติบโต ซิลิคอนคาร์ไบด์กําลังกลายเป็นดาราที่กําลังขึ้นในสาขาของวัสดุครึ่งนํา