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Siliziumkarbid: Vom Abrasivmaterial zum Halbleiter der nächsten Generation

Wenn man von Siliziumkarbid spricht, fällt man vielleicht als erstes auf das bekannte Carborund-Schleifrad, das häufig zum Schärfen von Küchenmesser verwendet wird.Dank seiner hervorragenden Verschleißfestigkeit, hohe Härte und hervorragende Hochtemperaturstabilität, Siliziumkarbid ist seit langem weit verbreitet in Schleifstoffen, Schleifwerkzeugen, feuerfesten Materialien und funktionellen Keramik verwendet.

In unserem vorherigen Artikel haben wir die Geschichte von Siliziumkarbidkristallen als “Liebesjuwersteine” diskutiert. In diesem Artikel werden wir uns auf Siliziumkarbid als Halbleitermaterial konzentrieren.

Ein Halbleiter ist eine spezielle Art von Material, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters und der eines elektrischen Leiters liegt.wie ein Metall, und eine Isolierung, z. B. aus Keramik oder Kunststoff.Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann sich auch je nach Betriebstemperatur oder den während des Herstellungsprozesses eingeführten Verunreinigungen ändern..

Streng genommen wird die elektrische Leitfähigkeit jedoch durch die Energiebandstruktur des Materials bestimmt.Eine genauere Definition eines Halbleiters sollte auf seiner Bandstruktur beruhen..

Wie im folgenden Diagramm gezeigt, haben Leiter, Halbleiter und Isolatoren unterschiedliche Energiebandstrukturen.oder der Energieunterschied zwischen ihnen ist sehr kleinInfolgedessen wird nur eine geringe Menge an Energie, wie z. B. ein externes elektrisches Feld, benötigt, um Elektronen in das Leitband zu erregen und einen Richtstromstrom zu erzeugen.

In Halbleitern gibt es ein verbotenes Band, auch bekannt als Bandlücke, zwischen dem Leitband und dem Valenzband.Elektronen können nur dann in das Leitband aufgeregt werden, wenn sie Energie absorbieren, die größer ist als die BandlückeIm Allgemeinen reichen Halbleiterbandlücken von ungefähr 0 bis 6,5 eV.

In Isolatoren ist die Bandlücke viel größer, typischerweise in der Größenordnung von mehr als 10 eV, was es sehr schwierig macht, dass Elektronen in das Leitband aufgeregt werden.elektrische Leitung nicht leicht auftreten.

Daher ist die einzigartige elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern – zwischen Leitern und Isolatoren – grundsätzlich durch ihre Energiebandstruktur bestimmt.

Energiebandstrukturdiagramm

Von Silizium zu Siliziumkarbid

Halbleiter können aus reinen Elementen hergestellt werden, wobei Silizium und Germanium die häufigsten Beispiele sind.Sie können auch aus zusammengesetzten Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumarsenid (GaAs) hergestellt werden.

Frühe Halbleitergeräte wurden hauptsächlich aus Germanium hergestellt. Später wurde Silizium das am weitesten verbreitete Halbleitermaterial.Die Leistung des Geräts hat sich allmählich den physikalischen Grenzen des Siliziums selbst nähert..

Dies hat neue Möglichkeiten für fortschrittliche Halbleitermaterialien geschaffen, darunter Siliziumkarbid, das zu einem der vielversprechendsten Konkurrenten des traditionellen Siliziums geworden ist.

Schauen wir uns die Vorteile von SiC im Vergleich zu Si genauer an.

Die einzigartige Struktur von SiC verleiht ihm eine überlegene Leistungsfähigkeit

Siliziumkarbid ist ein zusammengesetztes Halbleitermaterial, das aus Kohlenstoff- und Siliziumatomen in einem 1:1-Stoichiometrieverhältnis besteht.wie SiC4 oder CSi4In dieser Struktur befindet sich ein Atom im Zentrum eines Tetraeders, das von vier umliegenden Atomen gebildet wird.

Atomstruktur von SiC

Die Struktur eines Materials bestimmt seine Eigenschaften, und seine Eigenschaften bestimmen seine Anwendungen.Die einzigartige Atomstruktur des SiC verleiht ihm hervorragende physikalische und chemische Eigenschaften..

Lassen Sie uns einige wichtige Eigenschaften von SiC betrachten, darunter die Zerfallsfestigkeit, die Bandlücke und die Wärmeleitfähigkeit.

1. hohe kritische Zerfallstärke

SiC hat eine sehr hohe kritische Auflösfestigkeit. Dies bedeutet, dass SiC-Geräte höhere Spannungen aushalten können, während die gleiche Packungsgröße beibehalten wird.Es ermöglicht auch, die Isolationsanforderungen an die Verpackung zu reduzieren und gleichzeitig die gleiche Spannung zu behalten..

Als Ergebnis kann SiC zur Herstellung von Komponenten mit Blockspannungen verwendet werden, die um eine Größenordnung höher sein können als die mit Silizium erreichbaren.

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Halbleiters ist seine Energielücke, oder Bandlücke. Die Bandlücke wird in Elektronenvolt oder eV gemessen, wobei 1 eV etwa gleich 1 ist.602 × 10−19 Joule.

Die Bandlücke von SiC beträgt etwa 3,26 eV, während die von Si etwa 1,12 eV beträgt.Durch SiC repräsentierte Breitband-Halbleiter der dritten Generation ermöglichen es elektronischen Geräten, insbesondere Leistungselektronik, bei höheren Spannungen zu arbeiten, höhere Temperaturen und höhere Frequenzen.

Dies macht SiC-basierte Geräte schneller, kleiner und zuverlässiger.

3. Hohe Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist eine weitere wichtige Eigenschaft von Halbleitermaterialien. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto effektiver kann das Material die während des Betriebs erzeugte Wärme abführen.

Dadurch können Bauteile aus hochthermisch leitfähigen Halbleitern kleiner sein und das thermische Management des Gesamtsystems verbessern.

Die Wärmeleitfähigkeit von SiC beträgt etwa 430 W/m·K, während die von Si etwa 150 W/m·K beträgt. Dies gibt SiC einen deutlichen Vorteil bei Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen.

Siliziumkarbid als Halbleitermaterial

Wir haben bereits viele traditionelle Anwendungen von SiC diskutiert, einschließlich feuerfeste Materialien, Schleifstoffe und funktionelle Keramik.Das aufregendste Potenzial von SiC liegt in seiner Leistung als Leistungshalbleitermaterial, das in Geräten wie MOSFETs und Schottky-Schrankendioden verwendet wird..

Dank seiner hohen Zerfallsfestigkeit, seiner breiten Bandlücke und seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit kann SiC herkömmliche Halbleitermaterialien wie Si, Ge,und GaAs in vielen anspruchsvollen Anwendungen.

Mit fortschreitender Entwicklung der Fertigungstechnologien wird Siliziumcarbid zu einem aufsteigenden Star im Bereich der Halbleitermaterialien.