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Carbono de silício: do material abrasivo ao semicondutor de próxima geração

Quando falamos de carburo de silício, a primeira coisa que pode vir à mente é a familiar máquina de moagem de carborindão, o tipo frequentemente usado para afiar facas de cozinha.Graças à sua excelente resistência ao desgaste, alta dureza e excelente estabilidade a altas temperaturas, o carburo de silício tem sido amplamente utilizado em abrasivos, ferramentas de moagem, materiais refratários e cerâmica funcional.

No nosso artigo anterior, discutimos a história dos cristais de carburo de silício como “pedras preciosas de amor”. Neste artigo, vamos nos concentrar no carburo de silício como um material semicondutor.

Os semicondutores são componentes essenciais em quase todos os circuitos eletrônicos que encontramos.como um metal, e um isolante, como cerâmica ou plástico.A condutividade de um semicondutor também pode mudar dependendo de sua temperatura de funcionamento ou das impurezas introduzidas durante o processo de fabricação.

A condutividade elétrica é determinada pela estrutura da banda de energia do material.uma definição mais precisa de um semicondutor deve basear-se na sua estrutura de banda.

Como mostrado no diagrama abaixo, condutores, semicondutores e isoladores têm estruturas de banda de energia diferentes.ou a diferença de energia entre eles é muito pequenaComo resultado, apenas uma pequena quantidade de energia, como um campo elétrico externo, é necessária para excitar elétrons na banda de condução e gerar fluxo de corrente direcional.

Nos semicondutores, há uma banda proibida, também conhecida como o intervalo de banda, entre a banda de condução e a banda de valência.Os elétrons só podem ser excitados na banda de condução quando absorvem energia maior que a lacuna da bandaEm geral, os intervalos de banda dos semicondutores variam de aproximadamente 0 a 6,5 eV.

Nos isoladores, o intervalo de banda é muito maior, tipicamente na ordem de mais de 10 eV, tornando muito difícil para os elétrons serem excitados na banda de condução.A condução elétrica não ocorre facilmente.

Por conseguinte, a condutividade elétrica única dos semicondutores entre condutores e isoladores é fundamentalmente determinada pela sua estrutura de banda de energia.

Diagrama da estrutura da banda de energia

Do silício ao carburo de silício

Os semicondutores podem ser feitos a partir de elementos puros, sendo o silício e o germânio os exemplos mais comuns.Também podem ser fabricados a partir de materiais compostos, como o carburo de silício (SiC) e o arsênio de gálio (GaAs).

Os primeiros dispositivos de semicondutores eram feitos principalmente de germânio. Mais tarde, o silício se tornou o material de semicondutor mais amplamente utilizado.O desempenho do dispositivo aproximou-se gradualmente dos limites físicos do próprio silício..

Isto criou novas oportunidades para materiais semicondutores avançados, entre os quais o carburo de silício, ou SiC, tornou-se um dos concorrentes mais promissores ao silício tradicional.

Vejamos mais de perto as vantagens do SiC em comparação com o Si.

A estrutura única do SiC dá-lhe um desempenho superior

O carburo de silício é um material semicondutor composto de átomos de carbono e silício em uma proporção estequiométrica de 1: 1.como o SiC4 ou o CSi4Nesta estrutura, um átomo está localizado no centro de um tetraedro formado por quatro átomos circundantes.

Estrutura atómica do SiC

A estrutura de um material determina as suas propriedades e as suas propriedades determinam as suas aplicações.É precisamente a estrutura atômica única do SiC que lhe confere excelentes desempenhos físicos e químicos.

Vejamos algumas propriedades-chave do SiC, incluindo a resistência à quebra, o intervalo de banda e a condutividade térmica.

1. Alta resistência de ruptura crítica

O SiC tem uma resistência crítica de quebra muito alta, o que significa que os dispositivos SiC podem suportar voltagens mais altas mantendo o mesmo tamanho do pacote.Também permite reduzir os requisitos de isolamento nas embalagens, mantendo a mesma tensão nominal.

Como resultado, o SiC pode ser usado para fabricar componentes com tensões de bloqueio que podem ser de uma ordem de grandeza superiores às alcançáveis com silício.

Uma das características mais importantes de um semicondutor é a sua lacuna de energia, ou lacuna de banda.602 × 10−19 joules.

A lacuna de banda do SiC é de aproximadamente 3,26 eV, enquanto a do Si é de cerca de 1,12 eV. Em comparação com materiais semicondutores tradicionais como Si e GaAs,Semicondutores de banda larga de terceira geração representados por SiC permitem que dispositivos eletrónicos, especialmente dispositivos eletrónicos de alimentação, funcionem a tensões mais elevadas, temperaturas mais elevadas e frequências mais elevadas.

Isso torna os dispositivos baseados em SiC mais rápidos, menores e mais confiáveis.

3. Alta condutividade térmica

A condutividade térmica é outra propriedade importante dos materiais semicondutores. Quanto maior a condutividade térmica, mais eficazmente o material pode dissipar o calor gerado durante o funcionamento.

Isto permite que os componentes feitos a partir de semicondutores de alta condutividade térmica sejam menores e ajuda a melhorar a gestão térmica do sistema global.

A condutividade térmica do SiC é de aproximadamente 430 W/m·K, enquanto a do Si é de cerca de 150 W/m·K. Isso dá ao SiC uma clara vantagem em aplicações de alta potência e alta temperatura.

Carbono de silício como material semicondutor

Já discutimos muitas aplicações tradicionais do SiC, incluindo materiais refratários, abrasivos e cerâmica funcional.O potencial mais emocionante do SiC reside em seu desempenho como um material semicondutor de potência usado em dispositivos como MOSFETs e diodos de barreira Schottky.

Graças à sua elevada resistência à degradação, à sua ampla faixa de bandas e à sua excelente condutividade térmica, o SiC pode superar os materiais semicondutores tradicionais, como o Si, Ge,e GaAs em muitas aplicações exigentes.

À medida que as tecnologias de fabrico continuam a amadurecer, o carburo de silício está a tornar-se uma estrela em ascensão no campo dos materiais semicondutores.