Detalhes do Blog

Quando as pessoas ouvem o termocarboneto de silício, ouSiC, a primeira coisa que vem à mente é um rebolo de carboneto de silício, comumente conhecido como carborundo. Devido à sua excelente resistência ao desgaste, alta dureza e resistência a altas temperaturas, o carboneto de silício tem sido amplamente utilizado em abrasivos, ferramentas de retificação, materiais refratários e cerâmicas funcionais.

No artigo anterior, discutimos a história dos cristais de carboneto de silício como “pedras preciosas do amor”. Neste artigo, vamos nos concentrar no carboneto de silício como ummaterial semicondutor.

O que é um semicondutor?

Os semicondutores são componentes essenciais em quase todos os circuitos eletrônicos. Um semicondutor é um tipo especial de material cuja condutividade elétrica fica entre a de um condutor, como o metal, e a de um isolante, como a cerâmica ou o plástico. A condutividade de um semicondutor também pode variar dependendo de sua temperatura operacional ou das impurezas introduzidas durante o processo de fabricação.

Classificação de materiais por condutividade elétrica

Estritamente falando, a condutividade elétrica é determinada pelaestrutura da banda de energiade um material. Portanto, a definição padrão de semicondutor deve ser explicada do ponto de vista das faixas de energia.

Conforme mostrado no diagrama de bandas de energia de condutores, semicondutores e isoladores, a banda de condução e a banda de valência de um condutor se sobrepõem. A diferença de energia entre as subestruturas das bandas é muito pequena, portanto, apenas uma pequena quantidade de energia, como um campo elétrico externo, é necessária para excitar os elétrons na banda de condução e formar uma corrente elétrica direcional.

Em contraste, um semicondutor possui uma banda proibida, ou band gap, entre a banda de condução e a banda de valência. Os elétrons devem receber energia maior que o band gap para serem excitados na banda de condução. Em geral, o band gap dos semicondutores varia de 0 a 6,5 ​​eV. Os isoladores, no entanto, têm um gap de banda muito grande, geralmente da ordem de mais de 10 eV, tornando muito difícil que os elétrons sejam excitados para a banda de condução. Como resultado, os isoladores não conduzem eletricidade facilmente.

Isto mostra que a condutividade especial dos semicondutores, que fica entre condutores e isoladores, é determinada pela sua estrutura de banda de energia.

Diagrama de estrutura da banda de energia

Os semicondutores podem ser feitos de elementos puros, sendo o silício e o germânio os exemplos mais comuns. Eles também podem ser feitos de materiais compostos, comocarboneto de silício (SiC)earseneto de gálio (GaAs).

Os primeiros dispositivos semicondutores eram feitos principalmente de germânio. Mais tarde, o silício tornou-se o material semicondutor mais utilizado. No entanto, à medida que o desempenho dos dispositivos baseados em silício continuou a desenvolver-se, gradualmente aproximou-se dos limites físicos do próprio silício. Como resultado, novos materiais estão emergindo como fortes concorrentes do silício, e o carboneto de silício é um dos mais promissores entre eles.

Vejamos agora as vantagens do SiC em comparação com o silício.

A estrutura única do SiC determina suas propriedades superiores

SiC é um material semicondutor composto composto por átomos de carbono e átomos de silício em uma proporção estequiométrica de 1:1. A unidade estrutural básica de um cristal de SiC é uma estrutura tetraédrica, como SiC4 ou CSi4. Nesta estrutura densa, quatro átomos de silício formam um tetraedro, com um átomo de carbono localizado no centro.

Estrutura atômica do SiC

A estrutura de um material determina suas propriedades e suas propriedades determinam suas aplicações. É precisamente a estrutura atômica única do SiC que lhe confere excelentes propriedades físicas e químicas.

Abaixo estão várias propriedades importantes do SiC, incluindo resistência crítica à ruptura, intervalo de banda e condutividade térmica.

1. Alta resistência crítica à ruptura

O SiC tem uma resistência crítica à ruptura muito alta. Isto significa que ele pode suportar tensões mais altas, mantendo a mesma tensão nominal e reduzindo os requisitos de isolamento no pacote. Também permite que os componentes atinjam tensões de bloqueio que podem ser uma ordem de grandeza superiores às possíveis com o silício, sem aumentar significativamente o tamanho do pacote.

Fonte da imagem: Internet

2. Ampla lacuna de banda

Uma das principais características de um semicondutor é a sualacuna energética, também conhecido comolacuna de banda. O band gap é medido em elétron-volts, ou eV, onde 1 eV é aproximadamente igual a 1,602 × 10⁻¹⁹ joules.

O band gap do SiC é de cerca de3,26 eV, enquanto o do silício é cerca de1,12 eV. Em comparação com materiais semicondutores tradicionais, como silício e GaAs, os semicondutores de banda larga de terceira geração representados pelo SiC permitem que produtos eletrônicos, especialmente dispositivos eletrônicos de potência, operem em tensões mais altas, temperaturas e frequências mais altas. Isso torna os dispositivos mais rápidos, menores e mais confiáveis.

Fonte da imagem: Internet

3. Alta condutividade térmica

A condutividade térmica é uma propriedade importante dos materiais semicondutores. Quanto maior a condutividade térmica, mais fácil será para o semicondutor dissipar o calor gerado durante a operação.

Isto permite que os componentes feitos de materiais com boa condutividade térmica sejam menores e melhora o gerenciamento térmico de todo o sistema. A condutividade térmica do SiC é aproximadamente430 W/m·K, enquanto o do silício é cerca de150 W/m·K.

Fonte da imagem: Internet

Carboneto de Silício como Semicondutor

Já discutimos muitas aplicações do SiC, incluindo materiais refratários, abrasivos e cerâmicas funcionais. No entanto, a aplicação mais interessante do SiC reside no seu desempenho como material semicondutor de potência para dispositivos comoMOSFETseDiodos de barreira Schottky (SBDs).

Graças à sua alta resistência à ruptura, amplo intervalo de bandas e excelente condutividade térmica, o SiC pode superar materiais como silício, germânio e arsenieto de gálio em muitas aplicações exigentes.

À medida que as tecnologias de produção continuam a amadurecer, o carboneto de silício está a crescer rapidamente como uma nova estrela promissora no campo dos materiais semicondutores.