أشباه موصلات كربيد السيليكون

كربيد السيليكون (SiC) هو شبه موصل متقدم يتغلب على العديد من القيود الموجودة في أجهزة السيليكون التقليدية. ومع وجود فجوة نطاق أوسع بثلاث مرات من السيليكون وموصلية حرارية محسنة، فإن أجهزة كربيد السيليكون مثالية للتعامل مع الفولتية ودرجات الحرارة الأعلى من نظيراتها من السيليكون.

ستعرض هذه المقالة الخصائص والمزايا الأساسية للسيليكون سيليكون التي سرّعت من انتشاره على نطاق واسع في تطبيقات إلكترونيات الطاقة. سنستعرض تقنيات النمو البلوري الفوقي المختلفة بالإضافة إلى التوصيف الفيزيائي للطبقات المزروعة.

فجوة النطاق

إن فجوة النطاق الواسعة التي يتميز بها كربيد السيليكون تجعله مثاليًا لتطبيقات تحويل تحويل الطاقة، مما يتيح له التعامل مع الفولتية والتيارات ودرجات الحرارة الأعلى من أشباه الموصلات القائمة على السيليكون، مما يؤدي إلى تصميمات أصغر مع انخفاض تكاليف النظام.

تشير فجوة الحزمة لأي مادة إلى الطاقة اللازمة لانتقال الإلكترونات من نطاقات تكافؤ الذرات إلى نطاقات توصيل تلك الذرات نفسها، حيث تعمل المواد ذات فجوة الحزمة الواسعة كموصلات بينما تعمل المواد ذات الفجوة الأضيق كعوازل؛ حيث تتميز كربيد السيليكون بفجوة نطاق أكبر بثلاث مرات من تلك الموجودة في السيليكون مما يجعلها مادة شبه موصلة فعالة للغاية.

لا تعتمد مواد فجوة النطاق العريضة على الفولتية العالية لتنشيط الطاقة الحرارية؛ وبدلاً من ذلك يمكنها العمل في درجات حرارة أعلى بكثير - تصل إلى 300 درجة مئوية مقابل الحد الأقصى للسيليكون وهو 175 درجة مئوية.

كما يمكن أن توفر فجوة نطاق كربيد السيليكون لتطبيقات السيارات العديد من المزايا، مما يقلل من تكاليف النظام مع تحسين الكفاءة وتقليل أنظمة التبريد النشطة التي تضيف وزناً وتعقيداً للمركبات الكهربائية. يتطلب دمج كربيد السيليكون في دوائر تبديل تحويل الطاقة خبرة فريدة من نوعها حيث يجب أن يتم تحديد حجمها وتهيئتها بشكل صحيح وفقًا لمواصفات أداء التطبيق؛ كما يتطلب أيضًا اتباع نهج شامل عند النظر في المفاضلة بين تكاليف التبريد مقابل فوائد تكلفة المواد ومزايا أداء كربيد السيليكون.

قوة مجال الانهيار

كربيد السيليكون (SiC) هو مادة مبتكرة من أشباه الموصلات ذات مزايا متعددة لتطبيقات إلكترونيات الطاقة، مثل قدرات الجهد العالي للحجب، وأوقات التحويل السريعة وتقليل الخسائر. تتمتع الأجهزة القائمة على SiC أيضًا بقوة مجال انهيار أعلى من تلك القائمة على السيليكون مما يتيح للمصممين زيادة تدفق التيار بأحجام معينة للجهاز.

تتناسب قوة مجال الانهيار لأشباه الموصِّلات تناسبًا طرديًا مع فجوة الطاقة الخاصة بها، وهو ما يحدد ما إذا كانت تعمل كموصِّلات أو عوازل. تسمح الموصّلات للإلكترونات بالمرور بحرية بين نطاقات التكافؤ والتوصيل الخاصة بها بينما تتطلب العوازل كميات كبيرة من الطاقة للمرور عبر هذه الحواجز بين هذه النطاقات؛ وتتمتع SiC بفجوة نطاق واسعة بشكل استثنائي، مما يجعلها تشبه الموصلات مع زيادة قوة مجال الانهيار مقارنةً بمواد أخرى مثل Si.

يمكن تعديل SiC عن طريق التطعيم بالشوائب مثل الألومنيوم أو البورون أو الغاليوم أو النيتروجين؛ ومن ثم يمكن تعديل خواصه الكهربائية عن طريق تغيير تركيبته الكيميائية باستخدام المنشطات (الشوائب). قد يؤدي التطعيم إلى جعل SiC يتصرف مثل العازل عن طريق تطعيمه بهذه العناصر أو جعله يتصرف مثل أشباه الموصلات بإضافة النيتروجين أو الفوسفور - وهذا يعتمد على تركيزه والتوزيع المكاني للمواد المخدرة وهو أمر أساسي لأدائه في الأجهزة؛ ومن ثم يجب التحقق من تركيزه وتوزيعه للتأكد من عدم وجود ملوثات ضارة.

درجة الحرارة

توفر أشباه موصلات كربيد السيليكون (SiC) العديد من المزايا الرئيسية لتطبيقات إلكترونيات الطاقة، بما في ذلك جهد الانهيار العالي، وسرعات تبديل أسرع، وخسائر أقل ومقاومة للإشعاع - مما يجعلها مناسبة للعديد من التصميمات والتصاميم ذات متطلبات تبريد أقل بسبب التشغيل في درجات حرارة أعلى. كما أن قدرة أشباه موصلات SiC على العمل في درجات حرارة مرتفعة تعني أيضًا تقليل احتياجات التبريد مما يؤدي إلى أجهزة أصغر حجمًا وأخف وزنًا.

SiC هي مادة شبه موصلة يمكن تطعيمها بالنيتروجين والفوسفور لإنتاج أشباه موصلات من النوع n، أو تطعيمها بالبورون أو الألومنيوم أو الغاليوم لصنع أشباه موصلات من النوع p. وهذا يخلق فجوة نطاق واسعة؛ مما يعني أن الكهرباء يمكن أن تتدفق بسهولة أكبر بكثير في درجات حرارة أعلى من السيليكون. وعلاوة على ذلك، فإن الموصلية الحرارية للسيليكون استثنائية؛ حيث تمتد مقاومته لدرجات الحرارة حتى 1600 درجة مئوية.

إن أداء أشباه الموصلات SiC في درجات الحرارة العالية يجعلها مثالية للتطبيقات التي تنطوي على تطبيقات ذات تيار عالي مثل السيارات الكهربائية. تحتاج السيارات الكهربائية إلى تدفقات تيار هائلة من أجل التسارع، بينما تعمل في البيئات الحارة مثل الصحاري أو الجبال - ومقاومة أشباه الموصلات SiC الفائقة للحرارة تجعلها الحل الأمثل.

على الرغم من ندرة السيليكون في الطبيعة، إلا أنه يمكن تصنيعه صناعياً من خلال عمليات مختلفة. وينطوي أحد الخيارات على إذابة الكربون في السيليكون المنصهر؛ وينطوي خيار آخر على تسخين الطين الممزوج بمسحوق فحم الكوك في فرن كهربائي؛ أو يمكن حتى أن ينمو مباشرة على رقائق عن طريق عمليات ترسيب البخار الكيميائي.

المنشطات

يتضمن تطعيم أشباه موصلات كربيد السيليكون إضافة شوائب إلى شبكتها البلورية لتعديل خصائصها وتغيير خصائصها. يمكن أن يتم التطعيم إما عن طريق الغرس الأيوني أو أثناء عملية نمو البلورة في الموقع؛ على الرغم من أن الغرس الأيوني مفضل بسبب التطعيم المنتظم عبر السطح، إلا أن التطعيم في الموقع يتطلب درجات حرارة تنشيط أعلى يمكن أن تقلل بشكل كبير من حركة القناة في ترانزستورات التأثير الميداني لأكسيد الفلزات وأشباه الموصلات، مما يؤثر سلباً على أداء الجهاز.

كما أن الزرع الأيوني له نصيبه من العيوب. فقد يكون من الصعب التحكم في تركيز المنشطات بدقة، مما قد يؤدي إلى تغيرات كبيرة في بنية نطاق أشباه الموصلات بالإضافة إلى العديد من العيوب السطحية وانخفاض الجودة في منتجات كربيد السيليكون.

وللتغلب على هذه المشاكل، تم ابتكار طريقة جديدة للتطعيم باستخدام مركب البورون. ثم يتم تطبيق مركب البورون هذا مباشرةً على أسطح كربيد السيليكون باستخدام محلول يحتوي على الميثانول؛ وهذا يسمح بتوزيع ذرات البورون بشكل أكثر توازناً على سطحه، مما يؤدي إلى تحسين الجودة في منتجات كربيد السيليكون وتقليل وقت التلدين التنشيطي (He وآخرون 2010؛ Tang وآخرون 2018؛ Sun وآخرون 2017 ب).